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Introducción
La demanda actual de alimentos en el mundo y la necesidad de conservar los recursos naturales orienta a la comunidad científica y tecnológica a buscar estrategias de producción agrícola sustentable, esto es: económicamente redituable, socialmente justa y ambientalmente respetuosa.
La producción en invernadero es una sólida estrategia que ha comprobado ser productiva en el mundo, con rendimientos muy por encima de lo logrado en campo abierto y reduciendo siniestros por el clima. Sin embargo, el adquirir un invernadero de tecnología media es poco probable para productores de bajos insumos (82% de los productores en México de acuerdo a Villa, 2011). Los precios varían de 30 a 50 dólares por metro cuadrado, inversión inicial que no es posible cubrir por este núcleo de productores ya sea con recursos propios o por apoyo gubernamental. Ellos se resignan a continuar con sus sistemas de producción tradicionales, expuestos a los impredecibles eventos meteorológicos.
El principal material estructural utilizado en invernaderos, el acero, tiene dos inconvenientes serios para poder ser usado por los productores señalados, estos son: 1) su precio, el cual ha alcanzado máximos históricos en los últimos años y representa 80% de la inversión total de un invernadero (Moreno et al., 2011); y 2) ambiental, se estima que por cada tonelada de acero producido se emite a la atmósfera en promedio 1.7 toneladas de CO2, el cual es uno de los principales gases de invernadero. Además, a la industria del hierro y del acero se le atribuye ser responsable de 4 a 5% del total de las emisiones mundiales de CO2 (World Steel Association, 2008).
Como una alternativa al uso del acero, como material estructural en invernaderos, se tiene a los culmos de las plantas de bambú. Estos han demostrado en el mundo cualidades para estos fines, como son: alta resistencia aunada a una baja densidad y alta elasticidad (Xiaobo, 2004; Ubolsook y Thepa, 2011; Gutu, 2013). Además, su cultivo propicia beneficios ambientales como la conservación del suelo, control de la erosión, regulación del caudal hídrico, aportación de materia orgánica y contribuye a la biodiversidad. También es considerada la planta maderable de más rápido crecimiento en el mundo, así como ser una de las especies vegetales con mayor tasa de secuestro de CO2 en el mundo (Cárdenas, 2011; Sharma et al., 2014). Castañeda et al. (2005) estimaron la acumulación media anual de carbono en una plantación de bambú en 12.98 t ha-1, con 50% de concentración de carbono en tejido vegetal.
Otra ventaja importante de los culmos es su disponibilidad permanente a través de su cultivo que se puede establecer en la parcela del productor. En el estado de San Luis Potosí, México, se cultivan diversas especies de bambú en la zona tropical conocida como Huasteca Potosina. En este lugar el bambú ha presentado una excelente adaptación, las plantas llegan a alcanzar más de 16 m de altura y 10 cm de grosor. El bambú fue introducido hace más de 10 años, pero aún no se reporta información de sus propiedades mecánicas, las cuales son necesarias para el diseño estructural de un invernadero.
Los materiales naturales para uso estructural en invernaderos no es nada nuevo. Al respecto podemos recordar, como ejemplo, la comarca hortícola de Almería, España, que en la década de los 60’s se diseñaron invernaderos tipo Almería. Las estructuras fueron hechas de postes de madera, que han dado gradualmente el paso a invernaderos con estructuras de acero, contando a la fecha con poco más de 37 000 ha (Valera et al., 2014).
En base a lo expuesto anteriormente, y como propuesta de un modelo de producción rural sustentable para productores de bajos recursos económicos en México, se realizó la presente investigación con los siguientes objetivos: i) determinar la capacidad de resistencia de culmos de bambú de cuatro especies a la compresión, flexión y tensión; ii) diseñar un prototipo de invernadero para zonas áridas; y iii) estimar el impacto ambiental en relación al CO2 involucrado.
Materiales y métodos
Pruebas de resistencia
Los culmos en evaluación pertenecen a cuatro especies de plantas de bambú cultivados en la zona huasteca del estado de San Luis Potosí, México: Bambusa oldhamii Munro, Bambusa vulgaris var. vulgaris Schrad, Bambusa vulgaris ‘Striata’ y Gigantochloa verticillata Willd. El lugar de la colecta pertenece al campo agrícola experimental del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), localizado en el municipio de Huehuetlán, San Luis Potosí, México, ubicado a 21º 28’ 43“ de latitud norte y 98º 58’ 30” de longitud oeste con una altitud de 92 m. En la clasificación de Köppen el clima es denominado Cfga (clima templado húmedo sin estación seca, temperatura media anual de 23 °C y precipitación anual de 1 800 mm) (Pineda, 2005). Los materiales vegetales fueron establecidos hace 10 años provenientes del estado de Veracruz, México.
Tres culmos por planta de tres años de edad se colectaron, con alturas de más de 12 m y grosores entre 8-9 cm. Estos se cortaron a los primeros seis metros a partir de la base para facilitar su transporte, la parte apical fue desechada y se dejaron orear a la sombra y temperatura ambiente.
A los 160 días después de la colecta de los culmos se determinaron las propiedades de resistencia. Para ello los culmos fueron previamente divididos en tres secciones de igual tamaño: basal, media y superior (2 m cada uno).
Las pruebas de resistencia se realizaron para compresión, flexión y tensión. Estas propiedades son necesarias para el diseño de estructuras, como los invernaderos. Por carecer de una norma específica de construcción con bambú en México, se tomó como referencia la norma técnica colombiana, NTC-5525 2007 métodos de ensayo para determinar las propiedades físicas y mecánicas de la Guadua angustifolia Kunth., del Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, que se basa en la norma ISO 22157 (2004) Bamboo: determination of physical and mechanical properties.
Las probetas para la prueba se prepararon acorde a la mencionada norma NTC 5525 2007 colombiana, sin nudos, con una longitud igual al diámetro externo y sus extremos con superficies planas y en ángulo recto respecto a la longitud.Se colocaron en forma que el centro del cabezal de la prensa se ubicó en el centro de la sección transversal de la probeta.
Las probetas para las pruebas de resistencia a la flexión se montaron con una longitud entre los centros de los apoyos de 30 veces el diámetro exterior, con un número variable de nudos por probeta. El montaje de los culmos fue en cuatro puntos, aplicando la carga de los centros de las monturas del dispositivo de carga en dos puntos en el tercio medio de la distancia entre los apoyos. El aplastamiento se evitó utilizando una placa y soporte metálico de 15 cm de largo.
Las probetas para las pruebas de resistencia a la tensión paralela a las fibras se prepararon con una longitud total de 60 cm, en cuya parte media, se dejó una porción de ensayo de una sección transversal rectangular con dimensiones de 2.5 cm de ancho y 10 cm de longitud independiente del espesor de la pared. Para el montaje de las probetas en la máquina de ensayo se estableció una distancia entre los sujetadores de los extremos de 30 cm.
Cada una de las pruebas se repitió en tres ocasiones para cada sección de culmo (baja, media y alta) en cada especie, dando un total de 36 mediciones. Las pruebas mecánicas se practicaron en el laboratorio de mecánica de suelos y materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Los ensayos de compresión se llevaron a cabo en una la prensa marca AUTOMAX 5 y los de flexión y de tensión en una máquina de ensayo universal marca Forney.
Los datos obtenidos fueron analizados estadísticamente por medio de un análisis de varianza y comparación de medias para ver si existen diferencias entre las secciones de los culmos (baja, media y superior), así como entre las cuatro especies evaluadas, para ello se utilizó la prueba de Tukey con un nivel de confianza de 5%. Ambas se realizaron con el software FAUANL Versión 1.1 (Olivares, 2012).
Diseño agronómico y estructural de invernadero
El prototipo fue pensado en construirse en el centro de agricultura protegida de la Facultad de Agronomía de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México. La ubicación es 320 km al este del lugar de colecta (municipio de Huehuetlán, S L P), siendo sus coordenadas geográficas 22° 09’ 00’’ latitud norte y 100° 59’ 00’’ longitud oeste con una altura de 1 874 msnm. Debido al clima semiárido del lugar, se procedió a diseñar el invernadero en base a este clima. Para ello se consultó la literatura especializada para determinar las características deseables de un invernadero para zonas semiáridas en México: Matallana y Montero (1995); Castellanos (2004); Sánchez del Castillo (2007); Muñoz (2009). Las características a definir en el diseño agronómico del invernadero fueron: forma, altura, ventilación, cargas vivas y muertas por tutoreo, características de la cubierta y barrera física para plagas.
Con base en los valores de resistencia y en el diseño agronómico definidos, así como la velocidad máxima de viento (110 km h-1), se plantearon propuestas de marcos estructurales básicos que favorecieran dichas condiciones. Estos modelos se capturaron en el software STAAD.Pro®V8i, el cual es utilizado en el análisis estructural en tres dimensiones diseñado con una arquitectura abierta para el análisis estático y dinámico de estructuras de concreto, acero, aluminio, madera, en puentes, edificios, torres, estadios, etc. (Zertuche y Hernández, 2014). Con el software se simuló el comportamiento de las estructuras ante condiciones extremas y se calcularon los esfuerzos máximos en diferentes puntos críticos de la estructura para verificar que estos se encontraran en los márgenes de seguridad. Finalmente se eligió el mejor modelo por su simplicidad y estabilidad estructural.
El diseño de cimentación se basó en el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (GODF, 2004), el cual especifíca la resistencia de diseño ante estados límite de falla y factores de resistencia especificados, para que la estructura como la cimentación resistan las fuerzas cortantes, momentos torsionantes de entrepiso y de volteo inducidos por sismo combinados con los que correspondan a otras solicitaciones, y afectados del correspondiente factor de carga.
Estimación de CO 2 involucrado
La emisión de CO2 que se genera por la producción de acero para la construcción de un invernadero con dimensiones equivalentes a las del prototipo de bambú fue estimada. Para ello se recurrió a la recomendación de la norma mexicana para el diseño y construcción de invernaderos NMX-E-255-CNCP (DOF, 2008), que menciona el cumplimiento de 5 a 6 kg de acero por m2 de invernadero. Además se consideró las emisiones de CO2 al fabricar el acero, que es de 1 700 kg CO2 por 1 000 kg de acero (WSA, 2008).
Así mismo, el CO2 secuestrado en la biomasa de los culmos de bambú fue estimado al calcular el peso seco total de la estructura una vez construida. Tres muestras representativas de cada especie fueron previamente secadas en estufa con aire forzado a 65 °C hasta peso constante. Lo obtenido se multiplicó por el factor de 0.5 considerando que 50% de la biomasa vegetal está compuesta por carbono (Brown, 2002; Castañeda et al., 2005).
Resultados y discusión
Pruebas de resistencia
Compresión. La información es importante en el diseño estructural del invernadero debido al esfuerzo constante en que están sujetos las columnas por efecto del peso de la propia estructura, de las cargas muertas, y las cargas vivas. Las cargas muertas están representadas por los elementos que permanecen colgados de la estructura por un periodo mayor a 30 días (ej. el cultivo). Las cargas vivas corresponden a elementos que permanecen colgados de la estructura del invernadero por periodos menores a 30 días.
Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con la prensa Automax 5 indican que no existe diferencia estadística en la resistencia a la compresión entre secciones como entre especies, los valores promedios encontrados oscilaron de 645 kg cm-2 a 952.31 kg cm-2 (Figura 1a y 1b). Xiaobo (2004) reporta resultados similares en pruebas de resistencia practicadas en bambú (Phyllostachys pubescens), el análisis de varianza mostró que no hubo diferencia significativa entre diferentes alturas de bambú en tensión máxima de compresión paralela a la dirección longitudinal con promedio de 865.73 kg cm-2 en culmos de tres años.
Figura 1 Resultados de pruebas de resistencias, a) compresión entre secciones de culmo por especie; b) compresión entre especies por sección; c) flexión entre secciones de culmo por especie; d) flexión entre especies por sección; e) tensión entre secciones de culmo por especie; y f) tensión entre especies por sección. Las barras representan los promedios y error estándar obtenidos de tres repeticiones, letras diferentes indican diferencia significativa entre secciones y especies (p≤ 0.05, prueba de Tukey).
Flexión. La información es útil en el diseño estructural del invernadero debido a que la fuerza más significativa que ejerce un esfuerzo sobre la estructura del invernadero es la debida al viento. Este tipo de presión ejerce un esfuerzo de flexión sobre las columnas. Las columnas de las paredes, especialmente las que están de frente a la dirección dominante del viento, deben ser capaces de soportar la presión máxima, que bajo el escenario más adverso sea producida. El distanciamiento entre columnas debe ser tal que la presión ejercida por el viento no sobrepase los esfuerzos permisibles del material utilizado como estructura del invernadero, esta opción puede ser utilizada para compensar las diferencias de resistencia encontradas entre secciones.
Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con máquina de ensayo universal marca Forney indican diferencia significativa entre secciones, donde la flexión disminuye hacia la parte superior de los culmos en las cuatro especies. En el caso de B. vulgaris ‘Striata’, la diferencia de la sección inferior es de casi el doble en comparación con la sección superior: 1 878 kg cm-2 y 978 kg cm-2, respectivamente (Figura 1c). Entre especies se observa diferencia en la sección inferior con el valor menor mostrado por B. oldhami. En la sección superior también se observa diferencias, donde B. oldhami y Bambusa vulgaris ‘Striata’ fueron las especies que mostraron menor resistencia (Figura 1d). Xiaobo (2004) refiere resultados similares en el efecto de la ubicación de la muestra vertical a lo largo del culmo de bambú, que en su caso no fue significativa, sobre la resistencia a la flexión, con un promedio de 1 574.4 kg cm-2 en culmos de tres años de la especie Phyllostachys pubescens.
Tensión. La información será útil en el diseño del invernadero debido a que el viento, además de ejercer un esfuerzo de presión sobre las columnas del invernadero, también produce fuerzas de succión significativas. Es muy común que las paredes y los techos, que no están frente a la dirección del viento predominante, estén sujetas a esfuerzos de succión.
Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con máquina de ensayo universal marca Forney indican diferencias significativas entre las tres secciones de los tallos en la especie B. vulgaris var. vulgaris, la relación es que a mayor altura de tallo menor resistencia a la flexión, la sección inferior promedió 1 023 kg cm-2 y la superior 727 kg cm-2 (Figura 1e).
En base a los datos, se eligió para continuar con el diseño y construcción del invernadero a la especie B. oldhami, ya que presentó valores de resistencia similares al resto de las especies y por ser la de mayor disponibilidad en la zona de colecta. Además, esta ha mostrado una gran adaptación incluso en otras zonas geográficas de menor lluvia y temperaturas del estado de San Luis Potosí.
Diseño agronómico de invernadero
Los criterios para el diseño agronómico se hicieron tomando en cuenta las recomendaciones de Matallana y Montero (1995); Castellanos (2004); Sánchez del Castillo (2007); Muñoz (2009). El Cuadro 1 muestra los criterios aplicados.
Diseño estructural de invernadero
El diseño propuesto para el marco estructural básico se presenta en la Figura 2, el cual surge del software STAAD.Pro®V8i. El diseño integra las características y especificaciones que resultaron de las resistencias de los culmos de B. oldhami y diseño agronómico. Cada marco está apoyado en cuatro columnas separadas a 3 m de distancia, cada una formada por dos culmos de bambú. La forma geométrica es de dos aguas con ángulo de inclinación de 18.5°. Las tres secciones fueron estructuradas, en su parte superior (3 a 4.5 m) en forma triangular con el fin de aumentar la resistencia y estabilidad al invernadero.
Las uniones y elementos de ensamble del marco estructural básico se ilustran en la Figura 3. La pieza principal de conexión entre culmos es la varilla roscada de acero galvanizado de 3/8 con rondanas de 3/8 soldada en un extremo y sujetado con tornillo (arreglo en “T”), o en algunos casos con solo tornillos en ambos extremos. Para las uniones de 90° se realizó corte de tipo “boca de pescado”. Para las uniones menores de 90° se realizó corte tipo “pico de flauta”. Los topes son piezas de bambú de 8 cm de grosor que sirven para conectar piezas de bambú con ángulo de inclinación de 45°.
Figura 3 Modelo completo del prototipo de invernadero de bambú mostrando detalles de las conexiones.
La Figura 3 también muestra en una perspectiva en rotación de 90° el detalle de las uniones de las columnas que llevan dos culmos, se observa una unión transversal a la altura de la canaleta en la primer columna, y dos en la segunda columna para unir un travesaño y un larguero.
El marco estructural básico se podrá repetir indefinidamente para extender en invernadero (si así se deseara) en sentido longitudinal, transversal o ambos. En este trabajo, con fines experimentales, el prototipo se definió en forma longitudinal a 15 m. Para ello se requirió de siete marcos estructurales, los cuales fueron unidos en la parte superior por nueve largueros de 15 m. La superficie total del prototipo de invernadero es de 135 m2 con una altura a la canaleta de 3 m y 4.5 m de altura total (Figura 4). Para la colocación del plástico del invernadero, se colocó perfil y alambre sujetador en forma de zig-zag en los contornos exteriores que se unieron a los culmos por medio de tornillo tipo “mariposa”.
Figura 4 Perspectiva general del prototipo de invernadero de bambú surgido del software STAAD.Pro®V8i.
La disposición de las zapatas para la cimentación del invernadero se muestra en la Figura 5, con un total de 28 elementos. El modelo de cimentación tiene una profundidad de la cimentación de 55 cm, la cual está calculada de acuerdo a la profundidad en la que se encontró material sólido del subsuelo en el que se planea la construcción del invernadero. En cada zapata, se proyecta colocar dos postes de bambú montados sobre una varilla del número 4 con un relleno de concreto para su fijación y sujeción.
Beneficio ambiental del uso de bambú
El procedimiento empleado para el cálculo del carbono liberado en la producción de acero se muestra el Cuadro 2, donde se considera el uso de 5 a 6 kg de acero por m2 de invernadero de acuerdo a la norma NMX-E-255-CNCP (DOF, 2008). En este caso se estima en un total de 1 147.5 kg las emisiones de CO2 por el acero utilizado en un invernadero con las dimensiones del prototipo de bambú. Por otra parte, El procedimiento empleado para el cálculo del carbono secuestrado en la biomasa de bambú se muestra el Cuadro 3.
Cuadro 2 Memoria de cálculo de emisiones de CO2 liberado a la atmósfera durante la producción de acero
El valor estimado es de 463.8 Kg de C y 1 699.5 Kg de CO2. Sumando la cantidad de CO2 que se mantendría fijado en la biomasa de bambú estructural más la que se dejaría de arrojar a la atmósfera durante la producción de acero para una estructura equivalente, se puede estimar el beneficio ambiental de utilizar una estructura de bambú en sustitución de una de acero en 2 847 kg de CO2.
Lo anterior, sin considerar otros beneficios ambientales no evaluados en este trabajo, tales como el CO2 que queda fijado en el terreno en el que crece el bambú, cantidad que según la FAO (2002), podría ser significativa. Los bambúes no solo almacenan carbono en su biomasa foliar, sino que contribuyen a la biomasa existente bajo el suelo por sus raíces y el aporte de residuos y de esta manera, los suelos se constituyen en el mayor reservorio de carbono del ciclo terrestre de este elemento.
A 45 meses de haber realizado el diseño y construcción del prototipo de invernadero con estructura de bambú, este se ha mantenido estable y firme. Las labores de mantenimiento se han reducido a ajustes de tornillos de sujeción y barnizado con aceite de ricino. Se considera que la cubierta plástica ha contribuido a reducir el desgaste de los culmos al evitar el contacto con el agua de lluvia y reducir la incidencia de rayos UV, ambos considerados agentes con poder de degradación de materiales naturales.
Conclusiones
La resistencia a la compresión de los culmos de bambú de las cuatro especies son estadísticamente iguales, los mismo resultó entre las secciones inferior, media y superior; los valores promedios oscilaron de 645 kg cm-2 a 952.31 kg cm-2. En flexión no se encontró diferencia significativa entre las especies, solo en las secciones, se observa que la flexión disminuye hacia la parte superior de los culmos en las cuatro especies; los valores promedios encontrados oscilaron de 850.17 kg cm-2 a 1 927.63 kg cm-2. En tensión se muestra diferencias significativas solo entre las secciones de los tallos en B. vulgaris var. vulgaris, en esta especie la sección inferior promedió 1 023 kg cm-2 y la superior 727 kg cm-2. Con los datos de resistencia y características agronómicas deseables para invernaderos de zonas áridas se determinó un diseño estructural con el uso del software STAAD.Pro®V8i. Las especificaciones de construcción del prototipo se exponen a detalle a manera de que pueda reproducirse sin complicaciones por parte de los productores. Finalmente se estima un beneficio ambiental en emisiones de CO2 de 2 847 kg en la construcción del invernadero de 135 m2 en relación a uno de misma área construido de acero.
