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Resumen:
En virtud de la crisis climática y energética que atraviesa
el planeta, en la actualidad existe la tendencia de
construir con materiales sostenibles de baja toxicidad
y que sean ecientes en cuanto a propiedades
termoacústicas. La paja es uno de estos materiales,
proviene del cultivo de cereales y se la obtiene como
desecho de este proceso agroindustrial. Para utilizar la
paja en la edicación es necesario enfardarla mediante
el uso de máquinas mecánicas que no siempre están
disponibles en la zona rural del Ecuador, ya sea por
dicultades geográcas o por razones económicas.
Este estudio propone el diseño de una máquina
manual con la cual se han elaborado fardos con paja
de arroz de producción nacional. Estos fardos cumplen
requerimientos técnicos de la normativa Internacional
Americana IRC 2018. Con esto se pretende contribuir
al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo (ODS) y
a brindar alternativas para cubrir el décit de vivienda
en el sector rural donde se produce cereales como el
arroz y el trigo.
Palabras clave: construcción, Ecuador, enfardadora,
fardos, paja, rural.
Abstract:
Due to the climate and energy crisis that the planet
is going through, there is currently a trend to build
with sustainable materials that are low in toxicity and
efcient in terms of thermo-acoustic properties. Straw
is one of these materials that comes from the cultivation
of cereals and is obtained as waste from this agro-
industrial process. In order to use straw in buildings, it
is necessary to bale it using mechanical machines that
are not always available in rural areas of Ecuador, either
due to geographic or economic difculties. This study
proposes the design of a manual machine with which
bales of domestically produced rice straw have been
made. These bales meet the technical requirements of
the American International Standard IRC 2018. This is
intended to contribute to the fulllment of the SDGs and
to provide alternatives to cover the housing decit in
the rural sector where cereals such as rice and wheat
are produced.
Keywords: Construction, Ecuador, Baler, Bales, Straw,
Rural.
1Henry Anderson Ramos Rodriguez, 2Luisa Paulina Viera Arroba
1Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, haramos3@espe.edu.ec,
ORCID: 0000-0001-8981-6345,
2Universidad Central del Ecuador / Universitat Politècnica de València , lviera@uce.edu.ec,
ORCID: 0000-0003-0434-7979
Propuesta de máquina enfardadora para realizar material
de construcción a partir de desecho agroindustrial
Proposal for a baler machine to make construction material from
agro-industrial waste
EÍDOS No20
Revista Cientíca de Arquitectura y Urbanismo
ISSN: 1390-5007
revistas.ute.edu.ec/index.php/eidos
Recepción: 17, 03, 2022 - Aceptación: 20, 05, 2022 - Publicado: 01, 12, 2022
RAMOS, H., VIERA, L. - Propuesta de máquina enfardadora para realizar material de construcción a partir de desecho agroindustrial. pp. 45-54 ISSN:1390-5007
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1. INTRODUCCIÓN
Gran cantidad de materiales de
construcción presentan algún tipo de
toxicidad. Así, pueden ser tóxicos para
el medioambiente durante la etapa de
producción o también pueden contaminar
el aire interior de la edicación, al liberar
humos tóxicos durante incendios, o
simplemente envenenar el agua potable.
(Pacheco-Torgal y Jalali, 2011).
Adicionalmente, alrededor del
90 % de los materiales utilizados para
el aislamiento termoacústico de las
edicaciones son productos sintéticos,
cuyos procesos de fabricación requieren
grandes cantidades de recursos no
renovables y generan una serie de
emisiones de gases de efecto invernadero
(Gellert, 2010).
Los hallazgos sugieren que la
selección de materiales de construcción
basados en su desempeño en la salud y
el medioambiente debe ser considerada
como uno de los pasos más esenciales
para lograr los ODS (Omer y Noguchi,
2020).
Según el informe World Green
Building Trends 2018 de Dodge Data
and Analytics, la construcción ecológica
es ocialmente una “tendencia global”
y la conservación de la energía es una
prioridad principal para las personas de
todo el planeta (EcoHabitar, 2019) (López
Altuna y Iborra Lucas, 2015).
Se pueden disminuir las emisiones
contaminantes recurriendo a materiales
naturales, especialmente mediante la
reutilización de subproductos de la
producción agrícola, como la paja. Los
materiales de base biológica son una de
las opciones más sostenibles en lo que
respecta a las emisiones de CO2, ya que
actúan como sumideros de carbono a lo
largo de la vida del edicio (Cascone et
al., 2019).
Además, la construcción con
paja ofrece soluciones tangibles para la
creación de edicios duraderos de alto
rendimiento, puesto que proporciona un
confort acústico y térmico superior (Viera et
al., 2021) (Up Straw, 2020)(Chaussinanda
et al., 2015). La paja o tamo, que puede
ser utilizada para propósitos constructivos,
es el desecho de la cosecha de cereales
como el trigo, el arroz o la cebada (Liuzzi
et al., 2017) (Nitzkin y Termens, 2016).
En Ecuador, en el año 2020 se
sembraron 6880 ha de trigo. Eso permitió
una cosecha de 14 647 t, según datos
del INEC (MAGAP, 2022). El resultado
es el más alto que ha alcanzado el país
desde el año 2002 (Benalcázar, 2021). Así
mismo, existen en el país más de 1 971
206 ha sembradas de arroz (Sánchez et
al., 2020) y un total de 1464 ha de cebada,
distribuidas en la Sierra central (Ministerio
de Agricultura y Ganadería de Ecuador,
2019). Por cada hectárea de siembra,
se puede obtener entre 2.69 y 3.5 t de
paja (Lee y Grove, 2005). Evidentemente,
con la producción nacional se tiene gran
cantidad de este desecho que podría ser
integrado a una cadena de valor como
material de construcción.
En algunos sitios, para facilitar el
almacenamiento de la paja (especialmente
la de trigo y cebada) se comprime en
bloques rectangulares, conocidos con
el nombre de fardos o balas, mediante
máquinas que son movidas por tractores.
(Viera et al., 2020). Estos fardos se
utilizan principalmente como alimento
de animales, aun cuando no tienen valor
nutricional (Jenkins Swan et al., 2011).
También en muchos sitios del Ecuador, la
paja se quema dado que por la topografía
del terreno se diculta el ingreso de las
enfardadoras (Viera et al., 2019).
El uso de los fardos de paja
como material de construcción está
condicionado en requisitos de su
densidad, dimensiones y contenido de
humedad (Walker et al., 2020) (Jenkins
Swan et al., 2011) (Whitman, n. d.). Es así,
que el objetivo de este trabajo es proponer
la implementación de una máquina
que pueda ser utilizada para realizar
los fardos, aun cuando las condiciones
geográcas o económicas diculten el uso
de otro tipo de equipos mecánicos. Esto
facilitaría la introducción de este material
de construcción sustentable, eciente y
saludable, sobre todo en las zonas rurales
del Ecuador donde hay producción de
cereales. Teniendo en cuenta que según
datos del Banco Interamericano de
Desarrollo (BID) el décit de vivienda en
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el sector rural suma 378 859 unidades
que se consideran irrecuperables y 703
553 que podrían ser reparadas para ser
consideradas con calidad adecuada para
ser habitadas (Torres, 2021).
Los fardos obtenidos con
la enfardadora realizada para esta
investigación son adecuados para la
edicación sustentable según la normativa
americana IRC 2018, contribuyendo así no
solo a la consecución de los ODS sino a
que existan alternativas a los materiales de
construcción tradicionales que requieren
altas demandas energéticas para su
producción.
2. MATERIALES Y METODOLOGÍA
Para la construcción de la máquina
enfardadora se estableció primeramente
las dimensiones de los fardos a fabricar,
según Minke y Mahlke (2016) estas
dimensiones pueden ser variables y
dependen principalmente del tamaño del
tallo de la paja, conguración y distribución
de espacios de la vivienda que se requiere
construir. Sin embargo, el alto de los fardos
varía entre 32 a 35 cm, su ancho entre 45 y
50 cm y su largo entre 50 a 120 cm (Nitzkin
y Termens, 2016) (Minke y Mahlke, 2006).
Entre las características principales que
deben tener los fardos está la densidad,
la cual debe oscilar entre 80 a 120 kg/m³,
y depende principalmente de la presión
que ejerce el sistema de compresión de la
enfardadora sobre la paja (Cascone et al.,
2019) (King, 2006).
Al no existir una norma nacional
que estandarice estas dimensiones y con
la nalidad de obtener un fardo que sea
fácilmente manipulable, que no requiera
de mayores costos de operación, se
estableció un ancho de 45 cm, largo de 90
cm y alto de 35 cm, estas dimensiones se
encuentran dentro de las especicadas en
el Código Residencial Internacional (IRC)
en su apéndice S, construcción con paja.
(Appendix S: Strawbale Construction,
2018). Los materiales que se utilizaron
para la construcción de la estructura de la
máquina se establecen en la tabla 1.
Los materiales que conforman la
enfardadora en un 90 % corresponde a
madera. Para la selección del espesor del
tablero contrachapado (tríplex) se optó
Figura 1. Cajón principal de compresión de paja
Fuente: Elaborado por los investigadores
Tabla 1. Materiales utilizados para la fabricación de
máquina enfardadora manual
Fuente: Elaborado por los investigadores
por pedir recomendaciones, opiniones,
a carpinteros que tienen suciente
experiencia elaborando objetos sometidos
a presión con este material. Por lo tanto,
se utilizó un espesor de 12 mm con la
nalidad de evitar deformaciones en las
caras de la máquina durante el proceso
de enfardado. La enfardadora manual
está conformada por un cajón rectangular
donde se da forma a la paja como se
indica en la gura 1.
Este cajón está conformado por
dos tapas laterales de 150 cm de largo
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por 45 cm de alto. En estas se realizaron
2 aberturas a lo largo cada 15 cm, con la
nalidad de introducir los hilos e impedir
que el fardo se desarme. La tapa superior
mide 102 cm de largo por 38.60 cm de
ancho, mientras que la tapa inferior mide
150 cm de largo por 38.60 cm de ancho.
Además, cuenta con una abertura central
que sirve como guía para el movimiento a
la placa de compresión. Debido a que este
cajón es sometido a presión, se realiza
un reforzamiento en su parte intermedia
y extrema. Además, se colocan apoyos
laterales para evitar el volcamiento de la
máquina como se indica en la gura 2.
En la parte frontal de la caja de
compresión se coloca una puerta que
mide 38.60 cm de ancho por 50 cm de
altura, esta es colocada con bisagras de
bronce de 3” separadas cada 5.25 cm,
con el objetivo de evitar que la puerta
falle al momento que la paja ejerza
presión sobre esta. Adicionalmente, se
colocan dos seguros laterales de 9 cm,
tanto en la parte superior como inferior
de la puerta. Como se indica en la gura
3, la puerta se abre para extraer el
bloque de paja comprimido una vez que
se hayan colocado los hilos y se obtenga
la mayor presión que permita comprimir
la paja.
La paja se introduce en diferentes
proporciones por la parte superior del
cajón donde se dejó una abertura. La
compactación del fardo se logra mediante
un sistema a presión compuesto por una
palanca principal que mide 160 cm de
largo y 2 secundarias que miden 54 cm
de largo cada una y que mueven la placa
a compresión de madera que comprime la
paja, dando forma al prisma rectangular.
Este sistema es unido monolíticamente
mediante pernos y placas metálicas como
se indica en la gura 4.
Las secciones de las palancas
de compresión son de 4.00 cm por 6.00
cm. El elemento de compresión mide
34.50 cm por 44.00 cm de alto, en este
es colocado una placa metálica donde se
sujeta la palanca principal de compresión.
Mientras que la otra placa metálica se ja
en la tapa inferior de madera y en esta se
sujetan las dos palancas secundarias, el
sistema en conjunto se puede apreciar en
la gura 5.
Figura 2. Reforzamiento cajón principal de compresión de
paja. Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 3. Puerta y seguros máquina enfardadora
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 4. Sistema de compresión de máquina enfardadora
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 5. Vista superior y frontal del sistema a compresión
enfardador manual
Fuente: Elaborado por los investigadores
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Las placas metálicas que sujetan
las palancas secundarias y que se jan
en el panel de compresión con la palanca
principal deben ser soldadas, esto con
la nalidad de evitar fallas en la misma
debido a la presión que se ejerce sobre
estas, adicionalmente requieren de un
espesor considerable para evitar ser
dobladas cuando sean sometidas a la
mayor fuerza posible por el operador de
la máquina, sus dimensiones y forma se
indica en la gura 6.
Finalmente, una vez realizado el
montaje tanto del cajón donde se introduce
la paja, puerta, sistema a compresión
se logra vericar el funcionamiento de la
misma. Como resumen de su elaboración
tanto como sus materiales y partes de la
misma se ha realizado el esquema general
resultante de la máquina enfardadora
construida y que se indica en la gura 7.
En la tabla 2 se señala cada uno
de los elementos que forman parte de
la máquina enfardadora y del material
que lo componen, para complementar la
investigación también se indica la cantidad
de material necesario para fabricar esta
enfardadora manual y cumplir el objetivo
de crear materiales de construcción o
Figura 7. Máquina enfardadora vista 3D
Fuente: Elaborado por los investigadores
Tabla 2. Materiales utilizados para fabricación de
enfardadora manual
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 8. Colocación de la paja en el cajón de compresión
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 6. Placas metálicas del sistema a compresión
Fuente: Elaborado por los investigadores
bloques de paja con dimensiones de 45
cm de ancho, 35 cm de altura y 90 cm de
largo.
Una vez construida la máquina
enfardadora para la fabricación de los
fardos es necesario vericar que la puerta
principal esté cerrada. Posteriormente,
colocar la paja de manera vertical con
el objetivo de que la misma quede
perpendicular a las guías laterales por
donde se debe de pasar los hilos, como
se indica en la gura 8.
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Se deberá llenar el cajón de
compresión hasta la mitad de su capacidad
y después con la palanca principal y la
ayuda de las manos y pies realizar una
primera compresión de la paja, como se
muestra en la gura 9.
Posteriormente, se procede a la
colocación de los hilos por la guía superior
e inferior con la ayuda de una varilla de 8
mm de diámetro, que deberá traspasar el
ancho de la enfardadora, como se observa
en la gura 10.
Se introduce más paja por la parte
superior de la máquina enfardadora y se
realiza la compresión nal, vericando
que la paja haya llegado al borde de las
guías donde se introducen los hilos. Con
fuerza se procede a jalonar los hilos y a
realizar los nudos para cada uno de estos,
procurar que los mismos queden en el
centro de cada fardo y alineados como se
muestra en la gura 11.
Se procede a levantar los seguros
de la puerta principal para posteriormente
abrirla. Por esta parte es donde sale el
fardo como se indica en la gura 12.
Figura 12. Levantamiento de seguros de la puerta principal
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 14. Retiro de fardo de la máquina enfardadora
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 11. Nudos realizados para cada fardo
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 13. Empuje para retiro del fardo de la máquina
mediante empuje de la palanca principal
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 10. Insertado de los hilos por las guías de la
máquina enfardadora
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 9. Compresión de la primera capa de paja
introducida en el cajón principal
Fuente: Elaborado por los investigadores
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Con ayuda de la palanca principal
se ejerce presión al fardo, el mismo que
es empujado por la placa a compresión,
ocasionando que este salga por la puerta
principal de la enfardadora, como se
indica en la gura 13.
Finalmente, se procede a retirar
el fardo de la máquina enfardadora para
su respectivo uso en la construcción de
viviendas, como se indica en la gura 14.
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con el uso de la máquina
enfardadora y siguiendo el procedimiento
indicado en el apartado anterior se
pudo fabricar 12 fardos de paja. Sus
dimensiones fueron determinadas con la
ayuda de un exómetro y colocando una
tabla de madera en cada uno de sus lados
como una guía, a n de obtener la medida
de sus lados con mayor precisión, como
se indica en la gura 15.
En la tabla 3 se muestra las
medidas obtenidas para cada fardo tanto
para su largo, ancho y altura.
El contenido de humedad es una
propiedad del desecho agroindustrial que
debe ser determinada a n de vericar si
el mismo puede ser usado como material
de construcción. Para cada fardo se midió
esta propiedad mediante la utilización del
equipo F-2000 (G.I.S Ibérica, 2003), el cual
es utilizado mundialmente para determinar
esta propiedad, como se indica en la
gura 16. Este procedimiento se realiza
para seguir un control de calidad del fardo
de paja y su probable uso como material
de construcción.
Se procedió a tomar el peso de cada
uno de los fardos y a realizar el cálculo de
la densidad aparente corregida según la
norma americana IRC 2018, que consiste
en determinar el contenido de humedad
con el F-2000 de cada uno de los fardos y
restarlo del peso inicial obtenido mediante
la utilización de una balanza, de tal manera
de aplicar la relación masa sobre volumen
como se indica en la Ecuación 1:
Figura 15. Medición de fardos elaborados
Fuente: Elaborado por los investigadores
Tabla 3. Dimensiones de lados para cada fardo
Fuente: Elaborado por los investigadores
Figura 16. Medición humedad de los fardos
Fuente: Elaborado por los investigadores
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de la placa por la acumulación de
tallos cuando se introduce la paja, por
este motivo este elemento debe ser
necesariamente menor en 1 cm, si este
elemento es menor en más de 1 cm no
se garantiza una presión adecuada en la
parte superior del fardo.
La palanca principal y secundaria
debe tener una sección adecuada de por
lo menos 4.00 cm x 6.00 cm cuya sección
fue utilizada para esta investigación.
Además, de ser fabricadas con un
excelente material con el n de evitar que
estos elementos fallen cuando se ejerza
la mayor fuerza posible para comprimir
la paja, al tener una sección pequeña la
cual no sea adecuada y elaboradas con
una madera que no ofrezca resistencia a
exión suciente, estos elementos fallarán
fácilmente cuando se ejerza presión en las
palancas.
Los refuerzos extremos e
intermedios garantizan las uniones entre
las caras del cajón donde se introduce
la paja, estos deben ser colocados
a una separación máxima de 28 cm,
ya que al considerar una separación
superior, se evidenció pequeñas
aberturas entre las uniones de las caras
que conforman la enfardadora, que
posteriormente generará con el uso
continuo de la máquina un cuarteamiento
irreversible, además esta unión deberá
complementarse con la colocación de
clavos y cola blanca en las uniones de
sus tapas.
Con esta máquina enfardadora se
elaboró 12 fardos cuyos valores promedios
de sus dimensiones quedan establecidos
de la siguiente manera: largo 86 cm,
ancho 45 cm y su alto 34 cm, se produce
mayor variación en las dimensiones del
largo de los fardos debido a la compresión
que se ejerció sobre la paja, por lo tanto,
se obtienen fardos cuyas dimensiones
cumplen con la normativa europea y
Código Residencial Internacional (IRC) en
su apéndice S, construcción con paja.
De los 12 fardos elaborados, 10
cuentan con un contenido de humedad
menor al 15%, mientras que los 2
fardos restantes tienen un contenido
de humedad igual al 15%. De acuerdo
al Código Residencial Internacional
Finalmente, los resultados del
volumen, peso, densidad aparente,
contenido de humedad y densidad
corregida de cada uno de los fardos se
resumen en la tabla 4.
4. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
El hilo de polipropileno número
9 utilizado para amarrar los fardos es
insuciente para sostener la presión de
la paja, por este motivo fue necesario
amarrar el fardo con doble hilo obteniendo
un mejor soporte sin que los mismos se
rompan como sucedió al colocar un solo
hilo cada 15 cm. Además, garantiza
la compresión que ejerce la máquina
enfardadora después de retirar el bloque
comprimido de la misma.
El espesor de 12 mm adoptado para
el tríplex que forman las tapas laterales
y superiores es el adecuado, ya que al
introducir la paja por la parte superior
de la máquina enfardadora y al ejercer
presión con las palancas principales y
secundarias sobre la paja, no se evidenció
cuarteamiento o protuberancias en la
misma, garantizando de tal manera una
rigidez óptima en las caras laterales y
superiores de la máquina, con la nalidad
de garantizar la densidad de la paca
de paja de acuerdo a los estándares
internacionales.
La altura del elemento a
compresión que conforma la máquina
enfardadora debe ser necesariamente
inferior a 45 cm, debido a que la altura
del tallo de la paja supera en la mayoría
de los casos los 45 cm, produciendo
un atascamiento en la parte superior
Tabla 4. Volumen, peso, densidad aparente, contenido
de humedad y densidad aparente corregida de los fardos
fabricados
Fuente: Elaborado por los investigadores
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(IRC) en su apéndice S, construcción
con paja. Los fardos o pacas de paja
óptimos para la construcción son
aquellos cuyo contenido de humedad
es menor al 15 %. Con relación a esto
se concluye que la paja proveniente de
desechos agroindustrial producida por
la cosecha del arroz puede servir como
material de construcción, ya que con
un tiempo mayor de secado cumpliría
con el contenido de humedad requerido
para ser utilizado en la construcción de
viviendas.
La densidad aparente corregida
promedio de los 12 fardos fabricados es
de 84.88 kg/cm³, cuyo valor determina
que los fardos elaborados con la
máquina enfardadora diseñada en esta
investigación son aptos para utilizarlos
en la construcción de viviendas, cuya
densidad aparente deberá estar entre 80
a 120 kg/cm³ según Código Residencial
Internacional (IRC) en su apéndice
S.(International Residential Code -Apendix
R- Straw Bale Construction - Rb473 – 13,
2018)
Al tener que el 90 % de fardos
elaborados cumplen con el contenido
de humedad requerido menor al 15 %,
además el 100 % de los 12 fardos cuentan
con una densidad aparente superior a 80
kg/m³ y menor que 120 kg/m³, se permite
concluir que los fardos obtenidos a partir
de esta máquina enfardadora manual en
madera son aptos para ser utilizados como
materiales de construcción. Además, de
que el desecho agroindustrial como la
paja de arroz cuenta con un porcentaje de
humedad menor al 15 % lo cual determina
que su uso es conveniente para estas
necesidades.
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