pablo mosquera arancibia v.1

UNIVERSIDADPOLITCNICADEMADRID

ESCUELATCNICASUPERIORDEARQUITECTURA

MEDIDADELACONDUCTIVIDADTRMICA

CONELMTODODELAAGUJATRMICA,

BASADOENLAFUENTELINEALDECALORTRANSITORIO,

PARASUAPLICACINENLOSCERRAMIENTOSDE

ADOBESYBLOQUESDETIERRACOMPRIMIDA

TESISDOCTORAL

(Memoria,volumenIdeII)

PABLOMOSQUERAARANCIBIA,

ArquitectoSuperiorporlaETSAM

(EspecialidadesdeEdificacinyUrbanismo)

2013

-I-

DPTO.CONSTRUCCINYTECNOLOGAARQUITECTNICAS

ESCUELATCNICASUPERIORDEARQUITECTURA

UNIVERSIDADPOLITCNICADEMADRID

Medidadelaconductividadtrmicaconelmtododelaagujatrmica,

basadoenlafuentelinealdecalortransitorio,parasuaplicacinenlos

cerramientosdeadobesybloquesdetierracomprimida.

Autor:

PabloMosqueraArancibia,Arquitecto

Director:

IgnacioCaasGuerrero,

CatedrticodeUniversidad,Dr.IngenieroAgrnomo

Ao: 2013

-II-

Tribunal nombrado por el Sr. Rector Magfco. de la Universidad Politcnica de Madrid, el da...............de.............................de 20....

Presidente:

Vocal:

Vocal:

Vocal:

Secretario:

Suplente:

Suplente:

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el da..........de........................de 20

en la E.T.S.I. /Facultad....................................................

Calificacin .......................................................................................................................

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO

-III-

D. Ignacio Caas Guerrero, Catedrtico de Universidad. Dr. Ingeniero Agrnomo.

AUTORIZA

la presentacin de la tesis doctoral titulada: Medida de la conductividad trmica con el mtodo de la aguja trmica, basado en la fuente lineal de calor transitorio, para su aplicacin en los cerramientos de adobes y bloques de tierra comprimida, realizada bajo mi direccin, por D. Pablo Mosquera Arancibia para optar al grado de Doctor, considerando que cumple los requisitos necesarios para su defensa en la Escuela Tcnica Superior de Arquitectura de la Universidad Politcnica de Madrid.

Madrid, 06 de junio de 2013

Fdo.: D. Ignacio Caas Guerrero

-V-

Agradecimientos:

Para poder hacer esta tesis se han realizado 10.103 medidas, la palabra conductividad (trmica) o su smbolo -- aparecen mencionados en este texto 1.076 veces. A lo largo de estos aos de trabajo, la palabra gracias seguramente la haya utilizado en ms ocasiones. Ahora es el momento de ponerlo por escrito. Cada uno de los mencionados conocen el alcance de su apreciada colaboracin. Vayan, por adelantado, mis disculpas porque s que olvido a muchos:

Chus Yunta (Mi-muSA) Berta Mosquera (Hija) Jaime Mosquera (Hijo) Ignacio Caas Guerrero (director) (ETSI Agrnomos de Madrid) Grupo de investigacin PADOC (Patrimonio, paisaje, documentacin grfica y construccin agroforestal) Alberto Ballarn (tutor) (ETS de Arquitectura de Madrid) Erhard Rohmer y Ana Vera (Fundacin Navapalos) Manuel Domnguez (Instituto del FroCSIC) Jaime Cid-Falceto, Fernando Ruiz, Csar Porras y todo el equipo (ETSI Agrnomos de Madrid) Francisco Marcos (ETSI de Montes de Madrid UPM) Jon Santibez y Cristina Ortega (Adobera del Norte-Amayuelas de Abajo) Francesc Ferrer y Carles Rubio (LabFerrer) Jos Luis Garca Grinda (ETS Arquitectura de Madrid) Javier Neila (ETS de Arquitectura de Madrid) Csar Bedoya (ETS de Arquitectura de Madrid) Luis de Villanueva (ETS de Arquitectura de Madrid) David Sanz (ETS de Arquitectura de Madrid) Fernando Vela (ETS de Arquitectura de Madrid) Vctor Snchez-Girn (ETSI Agrnomos de Madrid) Jos Carlos Mndez (ETS de Arquitectura de Madrid) Guillermo Sandoval (Universidad de Piura, Per) ngela Alonso, Cristina Montio, lex Gonzlez, Luis Carretero, lvaro Garca, Guillermo Moreno, Ignacio Hornillos (alumnos de la ETSAM en 2008-09) T. Toullec y C. Vingut (becarios de la ETSIAM en 2008-09) Jos Mara Chilln, Fernando Martn, Eduardo La Hoz, Juan Queipo y Dpto. de publicaciones (IETCC) M Victoria Villar y J. Aroz (CIEMAT) Jaime Cuevas y su equipo (Dpto. Geologa y Geoqumica - UAM) Javier Molins (Ladrillos Malpesa) Rafael Barea (Universidad Nebrija) Pilar Miranzo (Instituto de Cermica y Vidrio) Ferran Bermejo (Centro Tecnolgico de la Construccin iMat) Csar Escudero, Ivn Flores, Carlos Garca, Jon y Pablo (rea Trmica - Laboratorio de Control de Calidad en la Edificacin del Gobierno Vasco) Mnica Brmmer (Arquitecta) Javier Rincn, Julin Manso, Nicols Garca, Pepi Lorenzo, Victoria Sahagn, Too y Beln, Anna Cantalozella y Ral, Jess Abad y Carmen Fernndez, Marta Aibarro, Ayuntamiento de Santa Eufemia del Arroyo (Propietarios de casas rurales construidas con tierra) Carlos Clemente (Arquitecto)

-VI-

Horst Schroeder (Dpto. Edificacin Ecolgica de la Universidad Bauhaus, Weimar) Ana Beln Garca (periodista de El Adelanto de Salamanca) Mara Jos de la Mata (Laboratorio de Anlisis Trmico de la Facultad de Ciencias - UAM) Joan Olona (Departamento de Construccin de la UPC) Hermann Suderow (Laboratorio de Bajas Temperaturas UAM) Jess y Oier (taller Rheyde) Carlos Marco (Laboratorio de Propiedades Trmicas del Instituto de Ciencia y Tecnologa de Polmeros) Rafael Valiente (Dpto. Fsica Aplicada de la Universidad de Cantabria) Iratxe Zuazola (Laboratorio de Qumica Macromolecular UPV) Mara Jos Jimnez (CIEMAT) Lope Calleja (Universidad Geologa de Oviedo) Csar del Ro (TA Instruments) Jos Manuel Cuevas (AIDICO) Jos Estaire (CEDEX) Ainhoa Galparsoro (TECNALIA) Salvador Suol (Applus) Mara Brown (Arquitecta) Servando lvarez (Universidad de Sevilla) Yago Mass (ANDIMAT) Carlos Muoz (CEIS) ngel Yedra y David Fernndez (Parque Cientfico y Tecnolgico de Cantabria) Miguel ngel Rodriguez (LEICAL) Eva M Delgado, Concepcin Calvo y Begoa Aguirre (Dpto. Construccin - ETSAM) Norma Garca, Elisa Navarro e Ivn Martnez (OTRI Rectorado UPM) Pilar Otero y Susana Feito (Biblioteca ETSAM) Andrs Martnez (Universidad de Valladolid) Juan Ortiz (Universidad de Santiago de Compostela) Francisco Manzano (Universidad de Almera) Francisco Javier Lpez (Universidad de Murcia) Miquel Barcel (Pintor) Javier, Guillermo, Paco, Maribel, Beatriz, Sonia, Ral, Huskar, Maite, Felipe, ngel, Joaqun (Amigos) Concepcin Arancibia (Madre) Jaime Mosquera (Padre) Conchita, Alicia, Jaime, Luis, Jess, Mercedes, Amalia, Beln (Hermanos) Jos Mara, Luis, Blanca, Carla, Javier, Pablo, Amalia, Marina (Sobrinos) Agustn Gutirrez (Concuado) Personal de limpieza de los laboratorios de la ETSAM y la ETSIAM Yon (Camarero)

Parte de esta tesis se ha llevado a cabo gracias al proyecto de investigacin BIA2006-09170 del Ministerio de Ciencia y Tecnologa Desarrollo de materiales de tierra para la construccin rural: adobe, bloques de tierra comprimida, tapial y tierra vertida como sistemas de construccin sostenibles

-VII-

Mientrasdescansaesthaciendoadobes

(refraneroespaol)

-VIII-

MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA CON EL MTODO DE LA AGUJA TRMICA, BASADO EN LA FUENTE LINEAL DE CALOR TRANSITORIO, PARA SU APLICACIN EN CERRAMIENTOS DE ADOBES Y BLOQUES DE TIERRA COMPRIMIDA.

NDICE

Director: Ignacio Caas Guerrero Autor: Pablo Mosquera Arancibia

-IX-

NDICE

VolumenI

RESUMEN..............................................................................................................1

ABSTRACT.............................................................................................................2

ARQUITECTURADETIERRAYCONDUCTIVIDADTRMICA................................3

CAPTULO.1...........................................................................................................7

1.INTRODUCCIN.................................................................................................7

CAPTULO.2........................................................................................................13

2.HIPTESIS........................................................................................................13

CAPTULO.3........................................................................................................15

3.OBJETIVOS.......................................................................................................15

3.1. JUSTIFICACIN E INTERS ............................................................................................................ 153.2. OBJETIVOS DE LA TESIS ................................................................................................................ 173.3. APLICACIONES ............................................................................................................................... 18

CAPTULO.4........................................................................................................19

4.ANTECEDENTES..............................................................................................20

4.1. INTERS POR EL FUNCIONAMIENTO DE LOS CERRAMIENTOS EN RGIMEN DINMICO ....................................................................................................................................... 204.1.1. Espaa .................................................................................................................................. 224.1.2. Europa: ................................................................................................................................. 284.1.3. Otros continentes: ............................................................................................................... 34

4.2. COMPORTAMIENTO ENERGTICO DE CERRAMIENTOS MONOCAPA ............................... 464.2.1. Parmetros trmicos y sus relaciones ............................................................................. 464.2.2. Nociones de transmisin de calor por conduccin ....................................................... 494.2.3. Comportamiento de un cerramiento en rgimen estacionario................................... 524.2.4. Comportamiento de un cerramiento en rgimen dinmico (no estacionario) ......... 554.2.5. Las ondas trmicas ............................................................................................................. 574.2.6. La inercia trmica ............................................................................................................... 624.2.7. Masa til .............................................................................................................................. 69

NDICE MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA CON EL MTODO DE LA AGUJA TRMICA,

BASADO EN LA FUENTE LINEAL DE CALOR TRANSITORIO,PARA SU APLICACIN EN CERRAMIENTOS DE ADOBES Y BLOQUES DE TIERRA COMPRIMIDA.

Autor: Pablo Mosquera Arancibia Director: Ignacio Caas Guerrero

-X-

4.2.8. La admitancia trmica ....................................................................................................... 694.3. LA TRANSMISIN DE CALOR EN EDIFICIOS DE TIERRA ......................................................... 71

4.3.1. Importancia de la higroscopicidad en el comportamiento trmico de un muro ...... 734.3.2. Importancia de la determinacin de en los cerramientos para el ahorro

energtico. .......................................................................................................................... 764.3.3. Estrategias para controlar el calor que atraviesa un cerramiento ........................... 78

4.4. MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA POR MTODO DE LA AGUJA TRMICA. EL DISPOSITIVO KD2 PRO ......................................................................................... 834.4.1. Modelo matemtico ............................................................................................................ 884.4.2. El problema de la esbeltez de la aguja ........................................................................ 954.4.3. Fuentes de incertidumbre de la medida y anlisis del error. .................................... 974.4.4. Factores que intervienen en los resultados de la al medir con el MAT .......... 110

4.5. VALORES DE CONDUCTIVIDAD TRMICA PARA MATERIALES DE

TIERRADEACUERDOALABIBLIOGRAFA...................................................113

CAPTULO.5.......................................................................................................115

5.MATERIALYMTODOS.................................................................................116

5.1. COMPOSICIN DEL MATERIAL ................................................................................................ 1165.1.1. Adobes ............................................................................................................................... 1165.1.2. Bloques de tierra comprimida (BTC) ............................................................................ 130

5.2. MTODOS PARA LA MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA APLICADOS A MATERIALES DE CONSTRUCCIN FABRICADOS CON TIERRA .......................................... 1335.2.1. Mtodos experimentales de medida de la conductividad trmica ....................... 1335.2.2. Otras forma de clasificacin ......................................................................................... 1355.2.3. Mtodos en rgimen estacionario ................................................................................ 1365.2.4. Mtodos en rgimen dinmico (no estacionario) ....................................................... 1505.2.5. Incertidumbre de los mtodos ....................................................................................... 182

5.3. MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA EN ADOBES ................................................... 1845.3.1. El problema de medir la en los adobes y sus fbricas ......................................... 1845.3.2. Metodologa ..................................................................................................................... 186

5.4. DETERMINACIN TERICA DE EN ADOBES.COMPARACIN ENTRE DIVERSOS MODELOS. .................................................................................................................................... 1875.4.1. Metodologa. .................................................................................................................... 1885.4.2. Modelos matemticos de acuerdo a la bibliografa ................................................ 190

5.5.INFLUENCIADELTAMAODELASPROBETASENLOSRESULTADOSDE

LAMEDIDADELACONDUCTIVIDADTRMICA()CONELMAT............191


NDICE


-XI-

5.5.1. Estudios previos ................................................................................................................ 1925.5.2. Metodologa ..................................................................................................................... 196

5.6. INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN PAJA EN LA CONDUCTIVIDAD TRMICA DE LOS ADOBES ................................................................................................................................ 1985.6.1. Metodologa ..................................................................................................................... 198

5.7. CARACTERIZACIN TRMICA DE BLOQUES DE TIERRA COMPRIMIDA CON EL MTODO DE LA AGUJA TRMICA ........................................................................................... 2005.7.1. Metodologa ..................................................................................................................... 200

5.8. FUNCIONAMIENTO HIGROTRMICO DE LOS CERRAMIENTOS DE TIERRA .................... 202

CAPTULO.6......................................................................................................203

6.RESULTADOSYDISCUSIN.........................................................................204

6.1. CLCULO DEL ERROR QUE SE COMETE EN LA MEDIDA ..................................................... 2046.1.1. Errores propios del material utilizado ......................................................................... 2046.1.2. Modelo de Carslaw y Jaeger ....................................................................................... 2056.1.3. Modelo de Blackwell ....................................................................................................... 2066.1.4. Modelo de Kluitenberg ................................................................................................... 2076.1.5. Inexactitud en la medida ................................................................................................ 2086.1.6. Anlisis de la evolucin de la temperatura con el tiempo ....................................... 2116.1.7. Minimizacin del error del MAT para medir la en piezas de tierra cruda. .. 218

6.2.DATOSDEACUERDOALABIBLIOGRAFACONSULTADA.......................221

6.3. MTODOS DE MEDIDA DE MS APROPIADOS PARA EL MATERIAL TIERRA ................ 2266.3.1. Comparativa entre mtodos .......................................................................................... 2266.3.2. Caracterizacin trmica del material tierra en Espaa. .......................................... 2286.3.3. Justificacin de la eleccin del MAT ......................................................................... 232

6.4. LA MEDIDA DE EN ADOBES CON EL MAT. ......................................................................... 2346.4.1. Resultados en laboratorio de medida de con el MAT para adobes .............. 2346.4.2. Discusin de la metodologa de aplicacin del MAT en los adobes ...................... 240

6.4.3. Comparacin con otros mtodos de medida de . ................................................... 2436.4.4. Reproducibilidad de los ensayos .................................................................................. 2486.4.5. Repetibilidad de los ensayos ........................................................................................ 2506.4.6. Incertidumbre combinada ............................................................................................... 256

6.5. INFLUENCIA DEL TAMAO DE LAS PROBETAS EN LOS RESULTADOS ............................. 2666.6. INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN PAJA ................................................................................. 2796.7. RESULTADOS DE LAS MEDIDAS DE EN BTCS ...................................................................... 2926.8. MODELOS MATEMTICOS ........................................................................................................ 295

6.8.1. Resultados de los modelos matemticos para el clculo de en los adobes. ..... 295




-XII-

6.8.2. Correccin de la medida en funcin de la densidad del material ........................ 3006.8.3. Explicacin de la expresin matemtica propuesta: modelo MA. ..................... 3016.8.4. COMPARACIN CON OTROS MODELOS SEGN LA DENSIDAD ....................... 308

6.9. FUNCIONAMIENTO HIGROTRMICO DE LAS FBRICAS DE TIERRA ................................ 3176.9.1. Influencia de la humedad en la . ................................................................................ 3176.9.2. Influencia de la temperatura ......................................................................................... 3326.9.3. Funcionamiento higrotrmico de acuerdo al CTE ....................................................... 335

6.10. INERCIA TRMICA ..................................................................................................................... 3416.10.1. Determinacin del calor especfico ............................................................................ 3416.10.2. Inercia, desfase y amortiguamiento trmicos ........................................................... 3446.10.3. Capacidad trmica ....................................................................................................... 354

CAPTULO.7......................................................................................................357

7.CONCLUSIONES.............................................................................................358

7.1. CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................................... 3587.2. CONCLUSIONES PARTICULARES ............................................................................................. 360

7.2.1. Revisin de la bibliografa ............................................................................................ 3607.2.2. Fiabilidad de la medida ................................................................................................ 3607.2.3. Procedimiento de medida en laboratorio ................................................................... 363

7.2.4. Medidas de la con el MAT en adobes y BTCs .................................................... 3637.2.5. Tamao mnimo de las probetas ................................................................................... 3667.2.6. Contenido en paja ........................................................................................................... 3667.2.7. Modelos matemticos y su aplicacin .......................................................................... 3677.2.8. Inercia trmica en funcin de la densidad del material .......................................... 3727.2.9. Previsin del funcionamiento higrotrmico de acuerdo al CTE ............................... 375

CAPTULO.8......................................................................................................379

8.APORTACIONESDELATESIS......................................................................380

8.1. REVISIN DE LA BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 3808.2. REVISIN DEL ESTADO DE LA TCNICA ................................................................................. 3808.3. DESARROLLO TECNOLGICO ................................................................................................. 3818.4. HERRAMIENTA PROYECTUAL DE APLICACIN EN LA ARQUITECTURA ........................... 3828.5. MEJORA CONSTRUCTIVA ......................................................................................................... 382

CAPTULO.9......................................................................................................383

9.FUTURASINVESTIGACIONES......................................................................384

9.1. CONTINUACIN DE ESTA TESIS .............................................................................................. 384


NDICE


-XIII-

9.1.1. Desarrollo del mtodo de medida ............................................................................... 3849.1.2. Modelos matemticos ...................................................................................................... 3859.1.3. Investigacin con probetas de tamao mnimo .......................................................... 386

9.2. OTRAS LNEAS DE INVESTIGACIN ........................................................................................ 387

10.GLOSARIO...................................................................................................389

11.ABREVIATURAS............................................................................................397

12.LISTADESMBOLOS...................................................................................399

13.LISTASDEFIGURAS....................................................................................403

14.LISTASDEFOTOGRAFAS...........................................................................407

15.LISTASDETABLAS......................................................................................409

16.LISTADEECUACIONES................................................................................413

17.BIBLIOGRAFA(volumenI).........................................................................420

18.BIBLIOGRAFA(volumenII)........................................................................431




-XIV-

NDICE

VolumenII

ANEXOS

NDICE DETALLADO DE ANEXOS.......................................................................................................XVII

A.1. ENSAYOS ..................................................................................................................................... 433A.1.1. Ensayos de placa caliente protegida PCP- Instituto Torroja ................................ 433A.1.2. Ensayo para determinacin del calor especfico, iMat de Barcelona .................. 441A.1.3. Ensayos de conductividad trmica con el MAT, UPB-LabFerrer ............................. 449A.1.4. Ensayos de Hilo Caliente Superficial, CIEMAT ........................................................... 452A.1.5. Ensayo difraccin de rayos-X (DRX), Universidad Autnoma en Madrid ............. 460A.1.6. Ensayo de la Caja Caliente Protegida -CCP-, rea Trmica del Gobierno

Vasco en Vitoria ............................................................................................................. 467A.1.7. Ensayo de la Lmina Delgada Calefactora LDC-, rea Trmica del Gobierno

Vasco en Vitoria ............................................................................................................. 483A.1.8. Ensayo de placa caliente, laboratorio Applus .......................................................... 492A.1.9. Ensayos en el laboratorio de materiales de la ETS Arquitectura de Madrid ..... 496A.1.10. Investigacin en estabilizacin de tierra para el proyecto de San Miguel de

Piura.................................................................................................................................. 498A.1.11. Ensayos en el laboratorio de Geotecnia de la ETSI Agrnomos de Madrid .... 502

A.2. MODELOS MATEMTICOS PARA DETERMINACIN DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA EN MATERIALES COMPUESTOS .............................................................................. 525A.2.1. Modelos basados en smiles elctricos. ....................................................................... 525A.2.2. Modelos de Fourier. ........................................................................................................ 528A.2.3. Modelos de microestructura ......................................................................................... 529A.2.4. Correcciones por el factor de forma ........................................................................... 530A.2.5. Modelo de Klemens......................................................................................................... 531A.2.6. Modelos para materiales porosos ............................................................................... 531A.2.7. Correlaciones empricas ................................................................................................. 532A.2.8. Modelos estadsticos ....................................................................................................... 534A.2.9. Modelos que consideran las resistencias internas ..................................................... 535A.2.10. Conductividad para materiales con ms de dos fases .......................................... 535A.2.11. Modelos propuestos...................................................................................................... 535

A.3. MEDIDAS REALIZADAS CON EL DISPOSITIVO KD2 PRO .................................................... 539A.3.1. Fichas de medidas ........................................................................................................... 539A.3.2. Listado de datos .............................................................................................................. 554

A.4. NORMATIVA DE REFERENCIA PARA EL DISPOSITIVO KD2 PRO ....................................... 609


NDICE


-XV-

A.4.1. NORMATIVA DE REFERENCIA: ASTM D5334-08 ...................................................... 609A.4.2. NORMATIVA DE REFERENCIA: IEEE Standard 442-1981 ........................................ 619

A.5. PATENTES ...................................................................................................................................... 631A.5.1. Patente solicitada: juego de brocas para la realizacin de taladros en los

bloques de tierra para la medida de la conductividad trmica .......................... 631A.5.2. Patente solicitada: protector para dispositivos de medicin de la

conductividad trmica de cerramientos de edificios. ............................................ 638A.5.3. Patente concedida: Dispositivo de erosin de materiales fabricados con tierra

cruda mediante pulverizado horizontal de agua a presin. ............................... 639A.6. CONGRESOS INTERNACIONALES ........................................................................................... 647

A.6.1. Participacin en el 1er Congreso Internacional de Arquitectura Sostenible en Valladolid. ....................................................................................................................... 647

A.6.2. Participacin en el International Congress Water, Waste and Energy Management, Salamanca 23-25.05.2012. ............................................................ 653

A.6.3. Participacin en el International Conference os Agricultural Engineering CIGR-AgEng2012, Valencia, 2012. .................................................................................... 657

A.7. TRABAJOS DE DOCTORADO SOBRE ARQUITECTURA DE TIERRA CONTEMPORNEA ..................................................................................................................... 659A.7.1. Parmetros higrotrmicos del adobe de acuerdo a la bibliografa ..................... 659A.7.2. Casas rurales de arquitectura de tierra en Castilla y Len .................................... 663A.7.3. Fichas de arquitectura contempornea de tierra ...................................................... 673A.7.4. Soluciones constructivas de bloques de tierra armados con bamb ...................... 692

A.8. CLCULO DE UN CERRAMIENTO DE TIERRA CON LOS VALORES OBTENIDOS DE ACUERDO AL CDIGO TCNICO DE LA EDIFICACIN ................................................ 699A.8.1. Cerramientos de adobes 35 cm, viviendas. ............................................................... 702A.8.2. Cerramientos de BTCs ligeros 35 cm, viviendas. ....................................................... 714A.8.3. Cerramientos de BTCs pesados 35 cm, viviendas. .................................................... 719A.8.4. Cerramientos de adobe 35 cm, piscinas ..................................................................... 724A.8.5. Cerramientos de BTCs ligeros 35 cm, piscinas ........................................................... 729A.8.6. Cerramientos de BTCs pesados 35 cm, piscinas ........................................................ 734A.8.7. Cerramientos de adobes 18 cm, viviendas ................................................................ 739A.8.8. Cerramientos de BTCs ligeros 18 cm, viviendas ........................................................ 741A.8.9. Cerramientos de BTCs pesados 18 cm, viviendas ..................................................... 743A.8.10. Cerramientos de adobe 18 cm, piscinas .................................................................. 745A.8.11. Cerramientos de BTCs ligeros 18 cm, piscinas ......................................................... 747A.8.12. Cerramientos de BTCs pesados 18 cm, piscinas ...................................................... 749A.8.13. Cerramientos de alto espesor para intentar cumplir normativa .......................... 751

A.9. CLCULO DE PARMETROS TRMICOS EN CERRAMIENTOS DE TIERRA DE ACUERDO A SU ESPESOR, DENSIDAD Y HUMEDAD ............................................................ 755




-XVI-

A.10. LISTA DE FIGURAS EN ANEXOS ............................................................................................ 771A.11. LISTA DE FOTOS EN ANEXOS ............................................................................................... 773A.12. LISTA DE TABLAS EN ANEXOS ............................................................................................... 777A.13. LISTA DE ECUACIONES EN ANEXOS .................................................................................... 779A.14. BIBLIOGRAFA (volumen II) ...................................................................................................... 783


RESUMEN-ABSTRACT


-1-

RESUMEN

Existe un creciente inters internacional por el ahorro energtico y la sostenibilidad en la edificacin con importantes repercusiones en la Arquitectura.

La inercia trmica es un parmetro fundamental para poder valorar energticamente un edificio en condiciones reales. Para ello es necesario cambiar el enfoque tradicional de transmisin de calor en rgimen estacionario por otro en rgimen dinmico en el que se analizan las ondas trmicas y el flujo de calor oscilante que atraviesan los cerramientos.

Los parmetros que definen la inercia trmica son: el espesor, la difusividad y el ciclo trmico. A su vez la difusividad est determinada por la conductividad trmica, la densidad y el calor especfico del material. De estos parmetros la conductividad es el ms complejo, variable y difcil de medir, especialmente en los cerramientos de tierra debido a su heterogeneidad y complejidad higrotrmica.

En general, los mtodos de medida de la conductividad o transmitancias en los paramentos presentan inconvenientes a la hora de medir un edificio construido con tierra: dificultades de implementacin, el elevado coste o la fiabilidad de los resultados, principalmente.

El Mtodo de la Aguja Trmica (MAT) se basa en el principio de la evolucin en el tiempo del calor emitido por una fuente lineal al insertarse en el seno de un material. Se ha escogido este mtodo porque resulta prctico, de bajo coste y de fcil aplicacin a gran escala pero tiene serios problemas de fiabilidad y exactitud.

En esta tesis se desarrolla un mtodo de medida de la conductividad trmica para Piezas de Albailera de Tierra Cruda en laboratorio basado en el MAT, se mejora su fiabilidad, se analiza su incertidumbre, se compara con otros mtodos de referencia y se aplica en adobes, Bloques de Tierra Comprimida y probetas de tierra estabilizada con distintas proporciones de paja. Este mtodo servir de base a una posterior aplicacin in situ.

Finalmente se proponen modelos matemticos para mejorar la exactitud del dispositivo utilizado y para la estimacin de la conductividad de cerramientos de tierra en funcin de su densidad. Con los resultados obtenidos se analizan las posibilidades de amortiguacin y retardo de las ondas trmicas y capacidad de almacenaje de energa de los cerramientos en funcin de su densidad y humedad.

RESUMEN-ABSTRACT MEASUREMENT OF THERMAL CONDUCTIVITY BY THE THERMAL NEEDLE PROBE PROCEDURE.

BASED ON THE TRANSIENT LINE HEAT SOURCE METHOD,FOR USE IN ADOBES AND COMPRESSED EARTH BLOCKS WALLS.

Author: Pablo Mosquera Arancibia Director: Ignacio Caas Guerrero

-2-

ABSTRACT

There is growing international interest in energy saving and sustainability in buildings with significant impact on Architecture.

Thermal inertia is a key parameter to assess energy in buildings in real conditions. This requires changing the traditional approach to heat transfer in steady state by another in dynamic regime which analyzes the thermal waves and oscillating heat flux passing through the external walls.

The parameters defining the thermal inertia are: the thickness, the diffusivity and the thermal cycle. In turn, the diffusivity is determined by the thermal conductivity, density and specific heat of the material. Of these parameters, thermal conductivity is the most complex, variable and difficult to measure, especially in earth walls due to their heterogeneity and hygrothermal complexity.

In general, the methods of measurement of conductivity and transmittance in walls have drawbacks when measuring a building with earth: implementation difficulties, high cost, or reliability of the results, mainly.

The Thermal Needle Procedure (TNP) is based on the principle of evolution in time of heat from a line source when inserted within a material. This method was chosen because it is a practical, low cost and easy to implement on a large scale but has serious problems of reliability and accuracy.

This thesis develops a laboratory method for measuring the thermal conductivity of Masonry Units Unfire Earth-based based on TNP, its uncertainty is analyzed, compared to other reference methods and applies in adobes, Compressed Earth Blocks and stabilized soil specimens with different proportions of straw. This method will form the basis of a subsequent application in situ.

Finally, mathematical models are proposed to improve the accuracy of the device used, and to estimate the conductivity of earth enclosures depending on its density. With the results obtained earth enclosures are analyzed to estimate their possibilities of delay and buffer of termal waves and energy storage capacity according to their density and moisture.

MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA CON EL MTODO DE LA AGUJA TRMICA, BASADO EN LA FUENTE LINEAL DE CALOR TRANSITORIO PARA SU APLICACIN EN CERRAMIENTOS DE ADOBES Y BLOQUES DE TIERRA COMPRIMIDA.

CAPTULO-0: NOTA PRELIMINAR


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ARQUITECTURADETIERRAYCONDUCTIVIDADTRMICA

El bienestar fsico y psquico estn ntimamente unidos. Gran parte de la carga emocional de la Arquitectura se debe a su presencia fsica. En la arquitectura de tierra la masa y la energa estn siempre presentes y pueden proporcionar bienestar en algunos climas.

Construir con tierra ensucia las manos, requiere esfuerzo, la tierra pesa y ocupa mucho espacio, se deshace con el agua, incluso huele quin querra hacerse una construccin con un material as?

Pues -a lo largo de la historia de la Arquitectura y actualmente- una gran parte de la poblacin mundial. En primer lugar, porque es el material ms abundante y en algunas zonas no haba otra opcin, era la solucin ms accesible. Por otro lado, se consiguen edificios confortables. Adems, no es una solucin cara ni sofisticada, incluso la podemos construir los propios usuarios.

Y ah est el resultado: no hay un adobe igual a otro, todas las tierras son distintas, los muros de tapial tienen multitud de vetas, las tonalidades de las fachadas cambian a lo largo del da segn vara la inclinacin de la radiacin solar. Definitivamente la tierra tiene personalidad.

Tambin se habla de barro, aunque es ms preciso hablar de tierra cruda, diferente de la cermica. Comnmente se le llama barro porque tiene un alto contenido en arcilla, que es el material que le da cohesin y plasticidad. Gracias a ello queda plasmada la huella de sus constructores.

En el interior de estancias rodeadas con muros de tierra las conversaciones tienen muchos matices y qu a gusto se est dentro de estas casas de pueblo cuando aprieta el calor en verano!. A menudo tambin se dice que son construcciones saludables y sostenibles, sobre todo las que se hacen con nuevos diseos y utilizan nuevos materiales de tierra que mejoran algunos aspectos de las tcnicas tradicionales.

A muchos nos gusta la tierra, por muchas razones.

Este trabajo desarrolla un aspecto muy concreto del material: cmo medir el calor que es capaz de transmitir un cerramiento de tierra cruda.

Es un tema que no est totalmente resuelto. Medir la conductividad trmica con precisin es complicado, los mecanismos de transmisin de calor en el interior de la tierra son complejos. Sin embargo es un dato importante porque afecta directamente al bienestar y al consumo


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PARA SU APLICACIN EN CERRAMIENTOS DE ADOBES Y BLOQUES DE TIERRA COMPRIMIDA.


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energtico Aunque la tierra no es un buen aislante trmico, es capaz de regular la temperatura y la humedad en el interior de los edificios. En este sentido tiene una cierta inteligencia.

Si furamos capaces de conocer con fiabilidad su conductividad trmica, su calor especfico y su densidad, deduciramos el funcionamiento trmico real de un muro con unas dimensiones determinadas. De estos parmetros la conductividad trmica es el ms complejo y difcil de obtener de forma fiable.

De forma anloga a conceptos como estabilidad, planificacin, distribucin, luz, espacio, esttica, diseo considero que la energa es un aspecto ms de la Arquitectura, si medimos la conductividad trmica podemos acercarnos al funcionamiento energtico de un edificio. Creo que merece la pena estudiarla a fondo con el objetivo de aplicar estos conocimientos a la Construccin y por qu no?... a la Arquitectura.

Una parte de la responsabilidad en esta visin de la arquitectura, en esta imagen que de ella conservamos (y el propio lenguaje y sus polisemias nos traicionan) reside precisamente en la dictadura del ojo sobre los restantes rganos perceptivos. Pero otra razn, quizs ms importante, es la ausencia escandalosa de consideraciones energticas en el anlisis y la crtica arquitectnicas.

El espacio trmico en la arquitectura:Son las dos ideas principales que intentar transmitir en este eplogo: por un lado, la ya expresada reiteradamente de que la arquitectura posee una dimensin material visible- y otra energtica invisible-, y que ambas son inseparables; por otro, la de que el proceso de homogeneizacin visual que asociamos a la modernidad posee su correlato en un proceso paralelo de homogeneizacin trmica: el espacio uniforme y repetible de nuestros das lo es tanto material como energticamente. El lugar artificial de la construccin y el clima artificial de la combustin experimentan un trnsito semejante: el lugar singular deviene espacio cuantificado de agrimensor; el clima mudable, condiciones codificadas de confort

Gradientes trmicos, humedades relativas y movimientos del aire se estudiaban a mediados del siglo XIX con objeto de lograr por medios artificiales aquella uniformidad ambiental de la que haban sido pioneros las chimeneas de conveccin de Louis Savot y los caliductos del cardenal Polignac. El campo perteneca por entero a los ingenieros y los fsicos del calor, los Tredgold y los Pclet, que hacen de la cuantificacin el instrumento esencial de su trabajo terico y prctico.

Luis Fernndez-Galiano: El fuego y la memoria. Sobre arquitectura y energa (Fernndez-Galiano, 1991)

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Desde el punto de la compatibilidad con la arquitectura moderna, por otra parte, los estudios actuales sobre las propiedades de la tierra como material de construccin se centran bsicamente en la determinacin del rendimiento trmico y de las propiedades higrotrmicas, en aras al desarrollo de una arquitectura bioclimtica para los climas templados o calurosos (aunque en lugares como el norte de Europa existe una explotacin igualmente importante de la tierra como material actual de construccin). Desde el punto de vista de la actualizacin tecnolgica, como desde el punto de vista de la conservacin de su patrimonio monumental, los pases occidentales comienzan a incorporarse a este inters no por difuso menos estimulante..

Luis Maldonado, David Rivera y Fernando Vela: Cincuenta aos de investigacin en torno a la construccin con tierra. Estudios, ensayos y manuales publicados desde 1950 (Maldonado et al., 2006) http://habitat.aq.upm.es/boletin/n38/nt02.html





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PGINA EN BLANCO

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CAPTULO-1: INTRODUCCIN


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CAPTULO.11. INTRODUCCIN

Es habitual experimentar sensacin de bienestar al entrar en edificios antiguos en los primeros das posteriores a los cambios de estacin o variacin brusca de las temperaturas. Los ejemplos habituales de las iglesias, catedrales o castillos de piedra y las bodegas son los ms mencionados, espacios rodeados por un cerramiento de gran masa que acta como acumulador de energa y produce un retardo en la onda trmica que se interna en los edificios a travs de su envolvente. Pero, adems de estos edificios singulares, en la arquitectura popular nos encontramos con multitud de construcciones tradicionales en las que se manifiesta el mismo fenmeno, que se conoce como inercia trmica de los cerramientos.

En la prctica es evidente que de alguna manera, en determinadas pocas del ao, el edificio -de forma pasiva- est consiguiendo condiciones de bienestar para los usuarios. Es decir, se est logrando el confort higrotrmico sin recurrir a un gasto de energa adicional.

Al intentar reproducir este fenmeno en las construcciones convencionales actuales nos encontramos con un primer escollo: los edificios de tierra que no incorporan aislamiento trmico en las fachadas no cumplen la normativa actualmente en vigor en Espaa. Esto se debe a simplificaciones conceptuales normativas (al considerar un rgimen estacionario de transmisin de calor) y a la idea de ahorro energtico heredado de pases europeos (con climas generalmente ms fros y con menores oscilaciones trmicas a lo largo del da o del ao) en el que prima el concepto de aislamiento del edificio respecto de su entorno para evitar la prdida de la energa (generalmente calor) que se produce en el interior.

Esta idea del edificio-abrigo-refugio prejuzga las condiciones exteriores como agresivas de manera que, al elevarlo al rango de normativa, impide que se puedan proyectar de forma legal nuevos edificios o rehabilitaciones de los antiguos con el mismo comportamiento higrotrmico que los tradicionales.

A nivel tcnico el problema surge de la consideracin del comportamiento trmico de los cerramientos desde el punto de vista del rgimen estacionario, que estudia la transferencia de calor de una cara a otra del cerramiento suponiendo que las condiciones de temperatura


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y humedad se mantienen constantes a lo largo del tiempo. Es decir, sin considerar la evolucin de las condiciones de los cerramientos.

Por qu se produce este bienestar si estos muros no cumplen con los documentos bsicos necesarios para el ahorro energtico?. Porque las condiciones exteriores no son permanentes, sino que sufren oscilaciones diarias y estacionales que en algunos casos pueden ser de gran magnitud y la inercia de los muros permite dosificar los rigores y excesos energticos de la naturaleza. Cuando se parte de estos supuestos se aplica un modelo fsico que no se corresponde con la realidad, aunque es ms fcil de calcular, pero que puede llegar a sesgar desde el proyecto- la posibilidad de ahorro energtico del edificio.

A priori, no se puede afirmar que una construccin con tierra ahorre ms energa que otra construida con otros materiales convencionales. La optimizacin energtica va ligada intrnsecamente al diseo arquitectnico que, a su vez, est determinado por el clima y el uso. Los valores numricos que se puedan obtener de una medicin de nos servirn para conocer el material pero habr que conocer la orientacin, disposicin de masas y huecos, uso del edificio, factor de forma, condiciones climticas para poder evaluar los consumos a travs del cerramiento.

La inercia trmica de los edificios amortigua y retarda la onda trmica del ambiente exterior de forma que se suavizan y retrasan sus efectos en el interior. En general los edificios fabricados con tierra tienen un buen comportamiento en este sentido, especialmente cuando son los cerramientos exteriores los que estn construidos con este material.

Los ciclos de temperatura ambiental son aproximadamente sinusoidales, con longitudes de onda variables que van desde escasos minutos hasta ondas anuales. Los cerramientos actan como filtros de estas ondas. A mayor inercia trmica los cerramientos filtran ondas de mayor longitud y reducen su amplitud.

Dentro de la amplia y variada casustica de arquitectura de tierra vamos a centrar en el estudio en las piezas de albailera de tierra cruda (PATC), en concreto adobe y bloques de tierra comprimida (BTC) por varias razones:

a) En el caso de los adobes, por haber constatado en la prctica su buen funcionamiento higrotrmico,

b) los BTCs suponen un esfuerzo de investigacin, industrializacin y actualizacin de tcnicas tradicionales optimizando energticamente el ciclo de vida del material.




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Se han realizado ensayos de laboratorio con vistas a una futura aplicacin en cerramientos in situ. Por eso se han escogido PATCs con idea de generalizar el estudio con el tapial en investigaciones posteriores.

Estudiar las caractersticas trmicas del material contribuir a entenderlo y caracterizarlo, ayudando a divulgar una arquitectura rica en otros valores:

a) Es uno de los ejemplos ms difundidos en Espaa de arquitectura popular, especialmente en viviendas en zonas rurales.

b) La arquitectura de tierra constituye parte del patrimonio arquitectnico (monumental y popular) del pas.

c) Supone uno de los ejemplos ms patentes de construccin con la naturaleza, en los que el material se obtiene directamente del suelo y se puede reciclar y reutilizar cuantas veces sea necesario.

d) Los cerramientos realizados con tierra cruda tienen un bajo contenido energtico baja energa embebida-, especialmente si la tierra procede de las proximidades del solar.

e) Si estn correctamente ejecutados, se le confiere efectos saludables sobre los usuarios.

f) Las construcciones populares y/o vernculas realizadas con tierra impregnan el paisaje y las zonas rurales de una esttica constructiva integrada en el entorno y dan carcter al lugar.

El material tierra tiene un comportamiento higrotrmico peculiar que lo hace especialmente interesante: a su alta capacidad de acumulacin energtica se aade la facilidad para absorber y ceder humedad. Este ltimo aspecto, a la luz de la bibliografa estudiada, es una caracterstica que lo distingur de otros materiales y que puede hacernos entender el por qu de su buen comportamiento bioclimtico, especialmente en condiciones de verano, gracias al enfriamiento evaporativo de los muros.

El funcionamiento trmico de las construcciones con tierra es muy complejo, no slo por las variaciones de su conductividad trmica en funcin de la temperatura, humedad, densidad o composicin sino a que -gracias a su higroscopicidad- de forma natural incorpora un material de cambio de fase (el agua-vapor de agua) que potencia los efectos beneficiosos de amortiguamiento y retardo de la onda trmica exterior. As como el agua en estado lquido es el mayor enemigo de las construcciones con tierra, dentro de unos lmites, mejora su





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capacidad trmica. Por otro lado la absorcin y cesin de vapor de agua en estos edificios puede crear ambientes ms confortables y sanos (Minke, 2001).

Si llegramos a conocer con rigor los fenmenos fsicos que rigen este comportamiento, se podran disear los cerramientos de forma que el retardo fuera el ptimo en funcin de las condiciones exteriores y los consumos interiores.

La valoracin energtica de un edificio se ha convertido en una herramienta de diseo y anlisis bsica para poder determinar si una construccin es sostenible. Dentro del amplio proceso energtico que implica toda construccin, el intercambio energtico del interior del edificio con el entorno es una etapa bsica que afecta al periodo de la vida til del edificio terminado.

El estudio terico del intercambio energtico en un edificio es un fenmeno complejo en el que intervienen numerosos factores que no son constantes en el tiempo ni en el espacio. Las fachadas de los edificios son los componentes constructivos ms importantes a la hora de determinar la energa que consumen. La sostenibilidad de un edificio se basa en el clculo de los consumos energticos por dos razones principales:

a) Mantener el confort en un edificio implica mantener la temperatura relativamente constante en su interior y por tanto producir energa para mantenerla, lo que conlleva un considerable valor econmico,

b) Los consumos energticos tiene una importante repercusin medioambiental.

Interesa, por tanto, que el consumo energtico sea el menor posible y que el proceso de produccin de energa genere la menor cantidad de residuos posible. Para ello hay tres estrategias bsicas:

a) Minimizar el consumo de los edificios,

b) Conseguir que la energa necesaria provenga de energas renovables y

c) Utilizar energas limpias.

A la hora de proyectar y construir edificios de tierra los arquitectos necesitan saber en qu medida se puede minimizar el consumo interior, para ello es indispensable conocer su funcionamiento higrotrmico y, por tanto, conocer la conductividad trmica del material. Al recopilar informacin para este trabajo se ha podido constatar la falta de datos fiables respecto a la de los materiales utilizados comnmente en la construccin. Hoy en da no existe un mtodo sencillo, que se pueda aplicar fcilmente a cualquier construccin de tierra




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y que, adems, sea fiable. En esta tesis se trata de buscar un mtodo para ello y evaluar su fiabilidad.

A pesar de que tradicionalmente la idea de arquitectura de tierra se asocia a pases emergentes con escasos recursos econmicos y bajos salarios, el alto impacto del coste energtico de la construccin en pases desarrollados est aumentando el inters por aplicaciones novedosas y, cada vez ms, se vincula la arquitectura de tierra a arquitectura de calidad. Conocer con rigor el material con el que se trabaja es uno de los fundamentos.

Espaa posee un gran patrimonio de construcciones con tierra, enriquecido por el Islam; su mximo ejemplo es la Alhambra I. de Oteiza (Oteiza, 2002)

Foto 1. Muros heterogneos en la Alcazaba de la Alhambra. Construidos con tapiales aunque el material de las tapias sea, en este caso, heterogneo (tabiya rabe):

con importantes cantidades de cal mezclada con tierra, cantos y ladrillos. (imagen de la Torre de la Vela: img.alhambradegranada.es)

(imagen de la Torre del Homenaje: fotosalhmabra.es) (seccin de tapial upload.wikimedia.org); (planta: alhambra-patronato.es)

Torre de la Vela

Torre del Homenaje





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Fig. 1. Gradilla, macal o adobera (foto cedida por E. Rohmer y A. Vera)

Foto 2. Construccin popular con adobe en Gozn de Ucieza (Palencia). (foto del autor)


CAPTULO-2: HIPTESIS


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CAPTULO.22. HIPTESIS

Podemos calcular la conductividad trmica de la tierra como material de construccin con el Mtodo de la Aguja Trmica de forma fiable y prctica. Gracias a ello preveremos con rigor su funcionamiento higrotrmico.

El diseo energticamente consciente de un edificio pasa por el conocimiento de sus caractersticas trmicas y la prediccin de su comportamiento real. Para ello es necesario conocer, entre otros, la conductividad trmica de sus cerramientos.

Actualmente no se tienen datos ciertos de la conductividad trmica de los edificios construidos con tierra.

Esto se debe a la dificultad de aplicacin y/o alto coste de los mtodos existentes, especialmente en ensayos in situ y a la falta de inters por las caractersticas trmicas de los materiales que no son especficamente aislantes.

Si pudiramos medir y calcular con fiabilidad la conductividad trmica de los cerramientos de tierra, los arquitectos tendramos una herramienta de trabajo muy til a la hora de disear y construir edificios con este material, de cara a su comportamiento energtico. Con datos concretos de conductividad podemos saber el espesor, los recubrimientos, la orientacin o disposicin de un determinado cerramiento de tierra para lograr un efecto higrotrmico determinado.

Esto ayudara a promover la imagen de calidad de la Arquitectura de Tierra y su validez dentro de la Arquitectura Contempornea.

Tambin supondra una herramienta interesante de cara a afrontar la rehabilitacin energtica de edificios tradicionales o de la arquitectura popular.

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CAPTULO-3: OBJETIVOS


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CAPTULO.33. OBJETIVOS

3.1. JUSTIFICACINEINTERS

Existe un creciente inters por el ahorro energtico y la sostenibilidad, a nivel mundial, que tiene una profunda repercusin en el sector de la edificacin y que afecta directamente a los arquitectos a la hora de disear edificios.

Existen numerosos estudios sobre las propiedades de la tierra que demuestran que su funcionamiento higrotrmico es un factor ms a tener en cuenta de cara a la justificacin de su inters como una tcnica vlida para construcciones contemporneas.

Hasta ahora los estudios en Espaa sobre cerramientos de tierra se han centrado principalmente en la caracterizacin de las caractersticas fsicas y resistentes del material y sus componentes, en el estudio de durabilidad (especialmente frente a la accin de la humedad) en la divulgacin y en la recopilacin de informacin arquitectnica y constructiva, pero la caracterizacin higrotrmica no est suficientemente desarrollada a nivel prctico.

La conductividad trmica () es uno de los parmetros fundamentales para comprender el comportamiento higrotrmico del material e interviene en los modelos fsicos y matemticos que se utilizan para estimar los consumos energticos de los edificios.

Esta tesis surge a raz de las dificultadas encontradas para conocer la de unos adobes. Dentro del amplio rango de mtodos que existen para la determinacin de (algunos con una alta precisin) no encontramos un mtodo sencillo: algunos de ellos eran demasiado caros, otros complejos y que requeran mucho tiempo, incluso algunos no garantizaban la fiabilidad para este material. Los que mejor se adaptan a los bloques de tierra requieren, por lo general, unas dimensiones bastante precisas y un tallado de la pieza para dar resultados fiables.

Por otro lado, la transmisin de energa a travs de los cerramientos de tierra es heterognea, variable con el tiempo y est determinada por multitud de factores externos,





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por tanto su clculo es de gran complejidad pero indispensable para valorar un edificio energticamente.

Tanto en la bibliografa tcnica como en la normativa existente no existen valores fiables acerca de la conductividad de los materiales de tierra (sobre todo los materiales tradicionales) y los valores que se obtienen son incompletos ya que: o no especifican el tipo de material, o no especifican el contenido de humedad o la temperatura a la que se han medido. Por otro lado, en gran parte de la bibliografa consultada no queda claro si los valores se refieren a las piezas de albailera o a la fbrica en su conjunto. Tambin se ha podido constatar que las conductividades trmicas mencionadas en las fichas tcnicas de otros productos como los BTCs (incluso en los ladrillos cermicos) son, en la mayora de los casos, valores aproximados: o no medidos experimentalmente o con escasa informacin para poder comprobar su fiabilidad.

En la lnea de la investigacin llevada a cabo por la Universidad de Plymouth (Pilkington et al., 2006, Goodhew and Griffiths, 2005, Goodhew and Griffiths, 2004) estudiamos la aplicacin del MAT para medir la sobre PATCs en laboratorio, para ver si es posible su uso en el estudio de edificios construidos con tierra ya que, inevitablemente, se tendr que medir in situ, en cada caso, el material con el que estemos trabajando para conocer realmente su .

En este trabajo se pretende obtener datos para poder sistematizar un procedimiento que garantice la fiabilidad (Labudova and Vozarova, 2002) y la repetibilidad de las medidas, para hacerlo extensible a todas las fbricas macizas, de esta forma se conseguir mejorar uno de los puntos que viene reclamando el grupo Contact Transient Methods de la European Conference on Thermophysical Properties (National-Physics-Laboratory, 2006): una mayor precisin en las medidas para poder crear un mtodo fiable y aplicable a la construccin in situ.

A medida que se fue desarrollando el estudio se comprob que, adems, esta tcnica poda ser relativamente sencilla, rpida y barata, lo que resulta especialmente interesante para un material que, en la mayor parte del mundo, es poco sofisticado. Por tanto, se requiere un mtodo y una tcnica para su posterior aplicacin in situ. Esta tesis analiza si el MAT es vlido en este sentido.

En los ltimos aos se ha conseguido concienciar de la importancia que tiene la inercia trmica en el rendimiento energtico de los edificios y parace razonable que prximamente se incluya en la normativa tcnica. Conocer mejor las caractersticas trmicas del material tierra contribuye, por tanto, a difundir su uso y a diversificar las estrategias de ahorro energtico.




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Nos hemos centrado en la caracterizacin trmica del material con ensayos de laboratorio, con el material seco y con humedad higroscpica porque era la manera de controlar y reducir los parmetros y poder comparar resultados. Tambin se han analizado muestras saturadas en agua para poder delimitar los lmites de humedad. Somos conscientes de la importancia de la oscilacin de la humedad en el funcionamiento global de los cerramientos de tierra y, en este sentido, se deja para un estudio posterior el anlisis detallado de la influencia de la humedad en la .

El estudio en profundidad de las caractersticas trmicas contribuir a promover el uso del material tierra y a mejorar su calidad de cara a su desarrollo prctico e industrial.

3.2. OBJETIVOSDELATESIS

1) MTODO. Verificar y desarrollar un mtodo de medida de la conductividad trmica para materiales de construccin de tierra, analizando la fiabilidad del dispositivo comercializado (en condiciones controladas) mejorndola a la luz de los resultados. Para ello se requiere:

a) recopilar datos bibliogrficos de para este material,

b) hacer un estudio comparativo de los distintos mtodos de medida de la ,

c) se debe revisar el modelo matemtico del mtodo elegido y sus fuentes de incertidumbre,

d) comparar y validar los resultados con otros mtodos reconocidos,

e) Con los resultados obtenidos se deteminar cul es la fiabilidad del mtodo y se cuantificar la incertidumbre mxima de la medida.

2) MODELO. Se estudiar la relacin existente entre los parmetros trmicos del material para proponer un modelo matemtico de estimacin de la conductividad trmica en el material tierra que sirva de aplicacin al diseo arquitectnico.

3) HERRAMIENTA. Proporcionar una aplicacin prctica para el diseo arquitectnico que sirva para impulsar la arquitectura de tierra de alta calidad y dignificar la construida con menos medios econmicos.





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3.3. APLICACIONES

1) Los principales campos de aplicacin son: la rehabilitacin energtica, conservacin del patrimonio, la arquitectura bioclimtica y el desarrollo de nuevos materiales y sistemas constructivos basados en la tierra.

2) Con el mtodo propuesto se podrn caracterizar materiales existentes y ser una herramienta til para los fabricantes, de forma que puedan certificar sus productos.


CAPTULO-4: ANTECEDENTES


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CAPTULO.4

ANTECEDENTES

En las ltimas dcadas se observa un inters creciente por el comportamiento trmico dinmico de los cerramientos en la edificacin.

Junto con los nuevos materiales cargados de un gran desarrollo tecnolgico novedoso existe una tendencia a aplicar nuevos mtodos a construcciones existentes, especialmente de cara a la rehabilitacin.

Esta tesis se enmarca en esta tendencia, aportando medios tecnolgicos y proyectuales para el desarrollo de una Arquitectura de Tierra de calidad, con bases cientficas verificadas a la hora de valorar su comportamiento trmico.

Este captulo se estructura en 4 bloques:

a) Inters por el comportamiento dinmico de los cerramientos

b) Anlsis del comportamiento energtico de los cerramiento de tierra

c) Explicacin del Mtodo de la Aguja Trmica

d) Valores de conductividad trmica en cerramientos de tierra de acuerdo a la bibliografa





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4. ANTECEDENTES

4.1. INTERSPORELFUNCIONAMIENTODELOSCERRAMIENTOSENRGIMENDINMICO

Desde mediados de los 70 se aprecia un creciente inters por el ahorro energtico en la edificacin a nivel mundial en el que se reclama la consideracin del rgimen variable en los fenmenos de intercambio de calor en los paramentos del edificio para obtener una idea ms precisa y global del comportamiento trmico real de las construcciones. Desde distintos mbitos se est insistiendo en la incorporacin de la inercia trmica en las normativas como posibilidad de ahorro energtico tanto en condiciones de invierno como de verano y, parece inminente un cambio en este sentido.

No es casual que de las 16 ltimas tesis (2013 y 2012) publicadas en la web del Departamento de Construccin de la ETSAM, 4 de ellas estn directamente relacionadas con la sostenibilidad y el ahorro energtico.

Dentro de esta preocupacin general, al estudiar los materiales se observan tres tendencias:

1) La que investiga en productos innovadores de materiales de cambio de fase (PCM -Phase Change Materials) que aaden a la inercia trmica el aprovechamiento de los fenmenos isotrmicos durante la fusin-condensacin de determinados fluidos embebidos en los edificios. Se basan en el calor latente de los materiales para mantener su temperatura constante.

2) El estudio de los fenmenos de radiacin y/o conveccin en las fachadas y sus materiales.

3) Los que investigan tcnicas tradicionales para comprobar su comportamiento trmico basado en la conduccin de calor y verificar si se pueden adaptar a los requerimientos de confort actuales, proponiendo en algunos casos mejoras tcnicas en los sistemas tradicionales. Esta tesis se encuadra en esta lnea de investigacin. Se basan en la difusividad trmica de los materiales y en cmo sta afecta a la evolucin de su temperatura.

La investigacin internacional ha apostado por la consideracin del rgimen trmico dinmico en el que -para analizar el comportamiento energtico de un cerramiento- no slo se tiene en cuenta la conductividad trmica (), sino tambin otros parmetros como la densidad (), el calor especfico (cp) y el volumen (V).




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Foto 3. En 1977 Geoge Lucas recrea en Star Wars el planeta Tatooine, con un clima trrido

debido al calentamiento de 2 soles. Para ello se inspir en la arquitectura de tierra bereber de Tataouine, al sur de Tnez,

Arriba a la izquierda, plano de la vivienda de la familia de Luke Skywalker (imagen de la pgina web: blog.miragestudio7.com). Arriba a la derecha: escena en el interior de la vivienda

(imagen de screenshot-lrg-10 guerra media.cenemasquid.com) Centro de pgina: vista del exterior, escena la pelcula (imagen de arkitiriteros.blogspot.com).

Foto 4. Dos ejemplos de arquitectura de tierra en climas desrticos: A la izquierda: graneros bereberes en Tnez (gorfas) (imagen de tunez2.blogspot.com.es)

A la derecha: viviendas el desierto de Siria (imagen de farm4.static.flirck.com).





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Sin embargo, la sigue siendo un parmetro fundamental para caracterizar trmicamente un material.

Tambin se observa que existen 3 lneas de medida de la :

a) los modelos matemticos (los ms complejos manejados con software especfico),

b) las medidas en laboratorio y

c) las medidas in situ ya sea sobre mdulos tridimensionales o directamente sobre los edificios construidos.

4.1.1. Espaa

En Espaa se han puesto en prctica experiencias puntuales de construccin con tierra que han servido de base para la diseminacin de los conocimientos y la creacin de una conciencia para poner en valor las tcnicas de construccin con tierra y su modernizacin. Junto a ejemplos demostrativos singulares se han creado varios centros de formacin y aprendizaje de tcnicas tradicionales. Estos centros aportan un apreciable fondo terico y crean expectativas para una nueva popularizacin y extensin de la utilizacin de las tcnicas de construccin con tierra.

Experiencias como la iniciativa de Rohmer y Vera1 en el pueblo soriano de Navapalos, con numerosas investigaciones y publicaciones a lo largo de los aos 80 y 90 (VVAA, 1998, Antonopoulos and Koronaki, 2001, Bermejo and Ancell, 2009), la creacin del CIAT en Boceguillas (Segovia) de la mano de Maldonado y Vela2 o la construccin de la ecoaldea de Amayuelas3 han supuesto un refuerzo cientfico y tcnico para dar ms peso y entidad a otras iniciativas aisladas diseminadas por todo el pas.

Los smiles elctricos e hdricos de Domnguez -Instituto del Fro del CSIC- (Domnguez et al., 1991) para estudiar las propiedades higrotrmicas tienen interesantes aplicaciones a la construccin con tierra. Con ellos explica las nociones de transmisin de calor en los muros masivos y la compleja influencia de la entalpa en los cambios de fase de la humedad contenida en ellos. Adems, ha realizado mediciones de en adobes del pueblo de Navapalos con la tcnica de la Calorimetra Diferencial Analgica (C.D.A.) que permite medir en rgimen variable (Domnguez, 1998). Domnguez -experto en la utilizacin de PCM 1 Erhard Rohmer y Ana M Vera, creadores, en 1984, del EcoCentro Navapalos y de la ONGD Inter-Accin. 2 Luis Maldonado Ramos, Dr. Arquitecto y Fernando Vela Cosso, Dr. Geografa e Historia, arquelogo, ETS

Arquitectura de Madrid. El Centro de Investigacin de Arquitectura Tradicional se cre en 1996 vinculado a la ETSAM para el fomento de la arquitectura tradicional, popular y verncula.

3 Aldea ecolgica creada en el pueblo palentino de Amayuelas, fundada por los arquitectos: M J. Gonzlez, J. Silva y F. Valbuena, con J.M. Sastre como director de obra. http://www.cdrtcampos.es/amayuelas/. Jon Santibez y Cristina Ortega fabrican adobes y BTCs en Amayuelas de Abajo




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para refrigeracin- apuesta por las posibilidades del almacenamiento de calor en el agua contenida en las construcciones con tierra, especialmente para la refrigeracin con el enfriamiento evaporativo. Explica que los muros de barro pueden retener entre un 5 y un 10% (en volumen) de agua, que en invierno se condensa y en verano se evapora de forma que cede calor a los muros o produce fro respectivamente, contribuyendo al ahorro energtico en la edificacin (Alvarez Alonso et al., 1984). Es decir, que en rgimen dinmico (peridico) la acumulacin energtica de los cerramientos mejora considerablemente gracias a la transmisin de masa (condensacin o evaporacin del agua), pudindose aumentar del orden de 100 veces ms la capacidad trmica de los muros. Propone el estudio de tcnicas constructivas tradicionales como soluciones interesantes para el futuro, a pesar de no cumplir la normativa actual (Domnguez et al., 2003). El concepto de impedancia trmica de los cerramientos es clave para entender el comportamiento real de un edificio en rgimen transitorio. Definida por una fase (h) y un mdulo Z (m2.K/W), representa una resistencia que matemticamente es funcin de la propia resistencia del paramento y nmero adimensional producto de la resistencia (R), la capacidad (C) y la frecuencia (), siendo ms estable un cerramiento cuanto mayor es el producto de los tres factores, es decir, su impedancia (Domnguez et al., 2009a). Posteriormente introdujo el concepto de resistencia trmica aparente (RTA), para sustituir al de resistencia trmica y de impedancia. El concepto de RTA incorpora la importancia de la capacidad trmica de los cerramientos y es igual al cociente entre la diferencia de temperaturas medias entre el exterior e interior del cerramiento y el flujo de calor medio que entra o sale del edificio, Rta=(Tme-Tmi)/Fin. Pone el ejemplo de Italia, donde se han incorporado correcciones en la normativa de la construccin debido al efecto de la inercia en las construcciones. Estima que los ahorros energticos debidos a la inercia trmica de las fachadas son muy importantes y que se debera considerar en la normativa del CTE (en proceso de redaccin a la hora de escribir su artculo) (Domnguez et al., 2009b).

Algorri (Algorri, 2007) tambin defiende la necesidad de revisin de la normativa para incorporar las ventajas de las construcciones con tierra, poniendo en evidencia las lagunas del actual CTE en esta materia.

Desde la ETS de Ingenieros Agrnomos de Madrid, Caas y su equipo han estudiado en profundidad el comportamiento trmico de las bodegas y han colaborado en la creacin de una normativa para los BTCs. Han creado la red ConstruTIERRA, una red de investigacin de construcciones con tierra y promueven su desarrollo a nivel nacional incidiendo en la necesidad de una mejora de la calidad (Cid-Falceto et al., 2009, Mosquera Arancibia et al., 2009, Borbn et al., 2010). Caas explica cmo desde mediados del siglo XIX se comenz a abandonar la prctica de la construccin con tierra en Espaa debido a la implantacin paulatina de los nuevos materiales, de una nueva cultura constructiva y de unos





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requerimientos sociales concretos (Jimenez Delgado and Canas Guerrero, 2006). Defiende la necesidad de retomar y conservar las construcciones con tierra a travs de la investigacin para la conservacin del patrimonio y el paisaje e incentivar el uso de un material con grandes potencialidades de cara a la sostenibilidad de la edificacin rural (Caas Guerrero and Fuentes Pardo, 2001). Hacen un estudio en el pueblo de Navapalos (Martin et al., 2010) en el que se compara la evolucin de las temperaturas interiores de tres tipos de vivienda: una de adobe, otra de piedra y otra de madera: el comportamiento de las viviendas de construccin tradicional (adobe y piedra) son las que tienen una mayor inercia trmica y las que mantienen unas temperaturas y humedades ms estables, en verano consiguen mantener la temperatura y humedad dentro de la franja de confort sin aporte de energa adicional, mientras que en invierno, a pesar de que la humedad se mantiene dentro de la franja de confort, la temperatura est casi siempre por debajo de la franja de confort, por lo que sera necesaria la aportacin de energa adicional. Estas mediciones se han realizado en distintas zonas de cada vivienda, en condiciones reales y a lo largo de varios meses (invierno-verano).

Otro estudio comparativo es el realizado por Machado, Britto y Neila (Machado et al., 2000) acerca de la cubierta ecolgica (se puede considerar como construccin con tierra

vegetal) en dos climas distintos: Madrid y Maracaibo. En primer lugar determinan la a nivel terico y lo comparan con los resultados de laboratorio. Con estos datos se hacen simulaciones con software para ver el comportamiento terico y compararlo con mdulos experimentales construidos en ambas ciudades. En climas con importantes oscilaciones trmicas, en verano, los edificios con cubierta ajardinada que mejor se comportan a nivel trmico son los que tienen una importante masa trmica y enfriamiento convectivo nocturno. En invierno, sin embargo, la efectividad de la cubierta disminuye y es necesaria la colocacin de aislamiento, preferiblemente al exterior para aprovechar la estabilidad que proporciona su masa trmica. Estos datos estn en la misma lnea de los resultados obtenidos en el estudio de Navapalos por Martn, Mazarrn y Caas.

Bartolom (Bartolom, 1987) en su trabajo sobre la de la piedra de Villamayor diferencia entre la conductividad efectiva -del conjunto del material- y la de la parte slida y el fluido intersticial, haciendo hincapi en la gran complejidad de la medida y el clculo de la transmisin de calor en slidos porosos. Considera despreciable la transmisin de calor por radiacin y conveccin en slidos porosos, reduciendo el estudio a la transmisin por conduccin.

M. V. Villar (Villar, 2002) caracteriza trmicamente suelos bentonticos. Sus estudios nos sirven de referencia para entender el comportamiento trmico del material tierra, ya que se compone bsicamente de un suelo arcilloso sin cocer. M. V. Villar ha tomado parte activa en




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este trabajo realizando estudios de conductividad de adobes con el sistema de la fuente lineal de calor transitorio superficial.

Foto 5. Ejemplos de arquitectura de tierra. Arriba: Castle winery en Palencia (adobe). Arquitectos: Moral Arquitectura.

(imagen: http://es.paperblog.com) Abajo, piscina en Toro (tapial). Arquitectos: Vier Arquitectos, S.L.

(foto: Vier Arquitectos, S.L.)

En el CIEMAT, gracias al mdulo instalado en Almera (Plataforma Solar de Almera-PSA), se investiga en el comportamiento trmico de distintos materiales de construccin bajo condiciones reales para su aplicacin en el ahorro energtico. (Jimenez et al., 2008)

Desde la Universidad Politcnica de Catalua, Escalona (Escalona, 2007) estudia la incidencia de la inercia trmica en el consumo energtico. Estudia los cerramientos opacos (no especficamente la tierra), hace simulaciones tericas en distintos climas espaoles de acuerdo al CTE e incide en la necesidad de incorporar en las normativas criterios en los que se tenga en cuenta el rgimen variable y la inercia trmica, considerando la importancia del diseo





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del edificio en el ahorro energtico. Nos sirve para estudiar los conceptos que se manejan actualmente de masa trmica y amortiguamiento y retardo de la onda trmica.

M. Bosch y J. Olona (Bosch and Olona, 2010), tambin en la Politcnica de Catalua, trabajan en la determinacin de la transmitancia de muros de edificios histricos para evaluar el grado de cumplimiento de parmetros normativos de las envolventes de los edificios.

Glvez (Glvez, 2002), en su captulo acerca del poblado de Nueva Gourna (diseado por Hassan Fathy) aade un anexo en el que explica la influencia de la inercia trmica en el particular comportamiento de los muros de adobe, basndose en los estudios arquitectnicos de acondicionamiento ambiental de Neila y Bedoya (Neila and Bedoya, 1992). Explica que debido a la complejidad del estudio para su aplicacin prctica por parte de los arquitectos es necesaria una simplificacin del fenmeno a travs del concepto de masa trmica en el que es necesario ponderar los valores con distintos coeficientes que tengan en cuenta los numerosos factores que intervienen en la inercia. En este sentido, a la hora de proponer modelos matemticos, se ha optado por buscar expresiones relativamente sencillas y de fcil aplicacin prctica.

A la hora de encontrar datos de productos comercializados en Espaa, la adobera del norte en Amayuelas de Abajo es de los pocos fabricantes de adobes que ha enviado datos concretos de su producto. Adems ha facilitado material para la investigacin de sus adobes (recordemos que no existe una normativa especfica para los adobes y sus fbricas) que ha servido para una importante parte del desarrollo de los ensayos propuestos junto con los adobes de Navapalos. Los propios fabricantes de Amayuelas disponen

pablo mosquera arancibia v.1

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