revista de construccion

revistadelaconstrucciónrevistadelaconstrucciónEstimados lectores:

Luego de tres años de puesta en marcha de la Línea de Investigación Construcción Sustentable de la Escuela de Construcción Civil de la Pontificia Universidad Católica de Chile, vale la pena hacer una mirada retrospectiva de lo que hemos realizado en investigación, además del quehacer docente y de extensión en que participamos los académicos que conformamos la línea.

Durante este período hemos desarrollado tres proyectos con financiamiento Fondef de la Comisión Chilena de Ciencia y Tecnología, Conicyt; junto con un proyecto financiado por Innova Chile de Corfo, sumados a diversos proyectos con financiamiento de la Vicerrectoría de Investigación de la Universidad.

Actualmente dos profesores se encuentran realizando estudios de Doctorado en universidades europeas y recientemente se ha incrementado el número de académicos de la Línea, con la incorporación de un Master of Arts in Architectural Technology, de la Universidad de Nottingham, y un Constructor Civil de nuestra Escuela.

El quehacer en investigación lo hemos complementado con una vinculación activa con el mundo de la construcción, donde hemos realizado trabajos en conjunto con los Ministerios de Vivienda y Urbanismo, Obras Públicas y Energía. Asimismo, hemos colaborado en la discusión sobre el tema de sustentabilidad participando tanto en cursos como charlas y seminarios.

Dado lo anterior, vemos el futuro de la Línea con la ilusión de que aún podemos hacer muchas cosas más, por lo que extendemos una cordial invitación a investigadores, académicos, profesionales y estudiantes del mundo de la construcción a dialogar en temas de sustentabilidad.

Leonardo G. Meza MarínJefe de Línea de Investigación

Construcción SustentableEscuela de Construcción Civil

Pontificia Universidad Católica de Chile

RevConsPUC-N22.indb 1RevConsPUC-N22.indb 1 08-11-12 18:1808-11-12 18:18

Comité Evaluador:

OLADIS MARICI TROCONIS DE RINCÓN: Ingeniera Química, Magíster en Corrosión, Universidad del Zulia, Venezuela, Consultora de la Gobernación del Estado de Zulia, Venezuela.

JOSÉ CALAVERA RUIZ: Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Ingeniero Técnico de Obras Públicas.

MANUEL RECUERO: Doctor en Ciencias Físicas, Universidad Autónoma de Madrid, España, Profesor Titular, Universidad Politécnica de Madrid, E.T.S.I Industriales, España.

ANDRÉ DE HERDE: Ingeniero Civil, Arquitecto, Université Catholique de Louvain, Bélgica, Profesor Ordinario, Decano Facultad de Ciencias Aplicadas de la Universidad Católica de Lovaina, Bélgica.

LEONARDO MEZA MARÍN: Constructor Civil, Pontifi cia Universidad Católica de Chile, Profesor Adjunto, Doctor en Ingeniería Acústica, Universidad Politécnica de Madrid.

JAVIER RAMÍREZ: Licenciado en Arquitectura, Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México, Doctor en Arquitectura, Unidad de Postgrado de Arquitectura, UNAM, México.

NATHAN MENDES: Doctor en Ingeniería Mecánica de la Universidad Federal de Santa Catarina, Profesor Titular de la Pontifi cia Universidad Católica de Paraná.

MIGUEL ANDRADE GARRIDO: Doctor en Ciencias de la Educación, Pontifi cia Universidad Católica de Chile, Profesor Adjunto.

LUIS BOBADILLA: Doctor, Universidad del Bío-Bío, Director del Centro de Investigación en Tecnologías de la Construcción (CITEC).

PHILLIPPE LAGIÈRE: Doctor. Université Bordeaux 1, Director ejecutivo y responsable científi co ECOCAMPUS.

DANIEL CASTRO-FRESNO: Doctor. Director Técnico del Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción y Director del Laboratorio de Geosintéticos de la Universidad de Cantabria.

CARLOS OTEO: Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos por la U.P.M. Presidente de los Comités de Geotecnia de la Asociación Técnica de Carreteras y AENOR, España.

CARLOS MARMOLEJO: Doctor Arquitecto. Centro de Política de Suelo y Valoraciones. Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Barcelona.

MICHAEL RILEY: Ph.D. School of Architecture, Design and Environment. University of Plymouth.

STEVE DONOHOE: MSc. University of Plymouth.

HUMBERTO AMORIM: Ph. D. Universidad de Aveiro, Portugal.

Director

PABLO MATURANA BARAHONA

Editora

VERÓNICA LATORRE, PhD

Dirección Postal Revista de la Construcción:

Av. Vicuña Mackenna 4860,Macul. Santiago de Chile

Escuela de Construcción CivilPontifi cia Universidad

Católica de Chile, Santiago

Fono:

56-2-354.74.98

Fax:

56-2-354.48.63

e-mail:[email protected]

www.uc.cl/construc_civil

Esta publicación cuenta con el aporte fi nanciero de la

Vicerrectoría de Investigaciónde la Pontifi cia Universidad

Católica de Chile

LA REVISTA DE LA CONSTRUCCIÓN SE ENCUENTRA INDEXADA EN:– Science Citation Index Expanded – ISI– Directory of Open Acess Journals – DOAJ– Sistema Regional de Información en Línea para Revistas Científicas de América

Latina, el Caribe, España y Portugal – LATINDEX– Scientific Electronic Library Online – SciELO Chile


SumarioTemas y tendencias sobre residuos de construcción y demolición: un metaanálisisAldana, J.C. - Serpell, A.

Residuo de mármol como insumo en la construcción civil - diagnóstico de la Comarca LaguneraP. Santos, A. C. - Villegas, N. - R. Betancourt, J.

Evaluación del confort térmico en recintos de 10 edificios públicos de Chile en inviernoMolina. C. C. - Veas P. L

Investigación de las vibraciones por tráfico en las construcciones patrimoniales de adobeMorán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.

Simplificación en los cálculos de esbeltez límite en E.L.U. de inestabilidad: diagramas de interacción según la instrucción EHE-08Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.

Mapa de corrosión atmosférica de Chile: resultados después de un año de exposiciónVera, R. - Puentes, M. - Araya, R. - Rojas, P. - Carvajal. A.M.

PHDC: sistemas de enfriamiento evaporativo, pasivos e híbridos para edificios – software de prediseñoSánchez, J. - Salmerón, J.M. - Molina, J.L. - Sánchez, F.J. - Álvarez, S.

Simulación y evaluación de puentes térmicosSoluciones constructivas típicas aprobadas por la Norma Térmica para elementos verticales en estructura de madera y metálicos en la Zona 4Simulaciones con Therm y Usai y evaluación con Método de Cámara TérmicaMuñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A

Estudio de durabilidad y corrosión en morteros armados adicionados con toba volcánica y ceniza de bagazo de caña de azúcarValencia W. - Mejía de Gutiérrez R. - Barrera J. - Delvasto S.

Alto confort interior con mínimo consumo energético a partir de la implementación del estándar “Passivhaus” en ChileHatt T. - Saelzer G. - Hempel R. - Gerber A.

Evaluación de los artículos

Normas de Publicación

4 ]

17 ]

27 ]

39 ]

54 ]

61 ]

73 ]

92]

112 ]

123 ]

135 ]

136 ]


4 ] Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012

Topics and tendencies of

construction and demolition

waste: a meta-analysis

Temas y tendencias sobre residuos de construcción y demolición: un meta-análisis

Autores

ALDANA, J. Universidad de Medellín,[email protected]ín, Colombia

SERPELL, A. Pontificia Universidad Católica de [email protected], Chile

Fecha de recepción 15/06/2012

Fecha de aceptación 24/07/2012


páginas: 4 - 16 [ 5 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Aldana, J.C. - Serpell, A. ]

Resumen En los últimos años, el tema de los re-siduos de construcción y demolición (RC&D) ha sido el foco de numerosas investigaciones resultando en una gran cantidad de publicaciones. Algunos ar-tículos que han presentado revisiones del estado del arte sobre la gestión de RC&D, concluyen sobre aspectos estadísticos, tales como la cantidad de artículos por revista, por país, por au-tor, por origen (Universidad/Instituto), por métodos de investigación y por métodos de análisis de datos. Pero, no hacen un análisis de frecuencia de los temas abordados en dichas publica-ciones ni tampoco presentan un com-pendio de estos. Este artículo presenta

un meta-análisis de los contenidos de las publicaciones sobre la gestión de RC&D y recopila los avances sobre los temas más tratados en los últimos años. Concluimos que los temas más mencio-nados son los materiales de residuo, las cantidades generadas, entre otros. Es-tos resultados podrían ayudar a orientar futuras investigaciones. Además, guia-rían la priorización de los esfuerzos de investigación en países en desarrollo los que podrían concentrarse en analizar la situación de los RC&D, las metodo-logías de integración de los adelantos en el tema y las metodologías para la formulación de planes de gestión de RC&D en obra, entre otros.

Palabras clave: Gestión de residuos, residuos de construcción, residuos de de-molición, meta-análisis.

Abstract In recent years, the topic of construction and demolition waste (C&DW) has been the focus of numerous investigations r e su l t i ng i n a l a rge number o f publications. Some items that have submitted revisions to the state of the art on C&DW management, they conclude on statistical aspects, such as the number of articles per journal, by country, by author, by source (University / Institute), for research methods and data analysis methods. But do not a frequency analysis of the issues addressed in these publications and also presented a summary of them.

For this reason this article presents a meta-analysis of the contents of the C&DW management publications and collects progress on the most popular topics in recent years. We conclude that most mentioned topics are the types of materials that cause waste, the quant i t ies generated, among others. Future research could focus on analyzing the situation of this problem in developing countries, methods of integration of advances in the subject, the methodologies for the formulation of management plans in C&DW work, among others.

Keywords: Waste management, construction waste, demolition waste, meta-analysis.



páginas: 4 - 16 [ Aldana, J.C. - Serpell, A. ]

1. Introducción

La construcción no es, por naturaleza, una actividad respetuosa con el medio ambiente (Tam y Le, 2009; Tam y Tam, 2006; Shen y Tam, 2002). Investigaciones realizadas proveen una revisión exhaustiva de los efec-tos nocivos de esta actividad (Tam y Le, 2009; Shen et al., 2007), así como también sugieren que es una de las que más contribuyen a la contaminación ambiental (Shen y Tam, 2002). En este ámbito, por ejemplo, se indica que causa el deterioro de la Tierra, el agota-miento de los recursos, la contaminación del aire, la contaminación acústica, la contaminación del agua y la generación de residuos (Lu y Yuan, 2011, Tam y Le, 2009; Turk, 2008; Shen y Tam, 2002).

La industria de la construcción es la mayor consumi-dora de energía (Del Río et al., 2009) y es la segunda mayor consumidora de materias primas después de la industria alimentaria (Halliday, 2008). Una enorme proporción de todos los materiales utilizados para la construcción de las obras se está convirtiendo en un enorme depósito y, a su vez, en un enorme problema de extremadamente difícil eliminación para las generaciones futuras (Kibert, 2007), causando un alto impacto sobre el medio ambiente (Nahmens, 2009; Yahya y Boussabain, 2006; Begum et al., 2006 b; Rodríguez et al., 2006). Por lo tanto, la actual tasa de utilización de los recursos naturales y del medio ambiente por parte de esta industria supone una disminución del potencial de los recursos para las generaciones futuras (Alavedra et al., 1998). Y, para enfrentar este problema, se podrían reducir las cantidades de los residuos, a través de la mejora de los procesos de construcción para así mejorar la tasa de consumo de los recursos (Halliday, 2008).

Los residuos de la industria de construcción y demo-lición han sido objeto de varios proyectos de investi-gación en todo el mundo en los últimos años (Torres et al., 1999) y los resultados han sido ampliamente publicados en revistas internacionales. Por ejemplo, las publicaciones de Lu y Yuan (2011) y Yuan y Shen (2011) han puesto de manifiesto la frontera de las publicaciones alrededor de este tema, el número de artículos en las publicaciones sobre gestión de RC&D, el número de artículos por país, por autor, por origen (universidades/institutos), por métodos de investiga-ción y por método de análisis de los datos. Adicional-mente, han reflexionado sobre cuáles serían los vacíos en el tema y proponen sobre tópicos de investigación futuros. Sin embargo, la información contenida en estos no ha sido analizada para identificar la frecuencia en los temas tratados y condensarlos y presentarlos

de manera organizada en un solo documento. Por tal razón, se realizó una revisión del estado del arte para identificar, procesar y concluir sobre los contenidos de los artículos sobre RC&D y discutir alrededor de las deficiencias encontradas en algunos de los temas abordados en dichos artículos.

Este artículo presenta el conocimiento en el tema de los RC&D de manera ordenada y sintetiza el estado del conocimiento encontrado en la literatura especia-lizada mediante búsqueda de información en revistas internacionales e indexadas, en bases de datos, y libros especializados en el tema objeto de estudio.

2. Metodología de investigación

La bibliografía revisada en este estudio se obtuvo mediante la utilización de las bases de datos Web of Science (ISI), Engineering Village 2, ScienceDirect (Elsevier), EBSCO, Google Scholar y la biblioteca de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Se utilizaron palabras clave tales como “waste management”, “construction and demolition waste management”, “construction and demolition economic model”, “C&D waste minimization”, “C&D waste economic model”, “C&D waste source”, “supply chain management”, “cost-benefit of construction and demolition waste management”, “green supply chain management”, “sustainable construction”, “C&D recycling”, “C&D reuse”, “green building”, “green construction”, “de-construction”, “reverse logistic”, entre otras. Se re-finaron los resultados utilizando diferentes criterios. Por ejemplo, para la base de datos Web of Science se utilizaron categorías como “MANAGEMENT”, “ENGI-NEERING CIVIL”, “CONSTRUCTION SCIENCE TECH-NOLOGY”, “ENGINEERING ENVIRONMENTAL”, entre otros; para la base de datos Engineering Village 2, utilizando vocabulario controlado como “Debris”, “Waste Management”, “Demolition”, “Recycling”, “Construction Industry”, “Waste Disposal”, entre otros; para la base de datos ScienceDirect, utilizando temas como “waste management”, “solid waste”, “supply chain”, “hazardous materials”, “c&d waste”, entre otros. Y, finalmente, de manera similar se hizo para las otras bases de datos exploradas.

Posteriormente, se procedió a leer los títulos de los artículos y descartar aquellos que no se encontraban dentro del contexto de RC&D, obteniendo más de 200 artículos publicados entre marzo de 1996 y diciembre de 2011. Se filtraron a través de la revisión del resumen y se eliminaron los que no estaban en el foco del estudio, quedando 123 artículos (ver Tabla 1).



Tabla 1. Número de artículos por cada revista o publicación

Nombre de la revistaNúmero de

artículos

Proceedings 26

Resource, Conservation and Recycling 17

Waste Management 14

Construction Management and Economics

12

Journal of Construction Engineering and Management

5

Building and Environment 5

Automation in Construction 3

Waste Management and Research 2

Journal of Environmental Management 2

Analytica Chimica Acta 2

Sustainable Development 2

Building Research and Information 2

Otros 31

Total 123

Cada publicación fue analizada para identificar sus contenidos y, posteriormente, clasificarlos en una ma-triz. De esta manera se encontró la frecuencia en los tópicos tratados en las 123 publicaciones. Por ejem-plo, los materiales y las cantidades de RC&D son los temas más reportados en la literatura, seguido de las acciones, estrategias y factores de gestión de RC&D, entre otros (ver Tabla 2).

Tabla 2. Resumen de los temas tratados en las publicaciones

Tópico Frecuencia

Materiales de residuo y cantidades 81

Acciones, estrategias y factores de gestión de residuos

26

Tasa de reciclaje y/o reutilización 26

Beneficios de gestionar los residuos 25

Definición de RC&D 22

Causas de generación de residuos 18

Jerarquía de la gestión de residuos 15

Barreras para la gestión de residuos 12

Aplicaciones de materiales reciclados 12

Métodos de cuantificación de residuos 11

Fuentes de generación de residuos 11

Planes de gestión de residuos en obra 9

Definición de construcción sustentable 7

Definición de desarrollo sustentable 6

Clasificación y/o categorías de RC&D 5

Impactos ambientales de los edificios 4

Definición de acciones de gestión de RC&D

3

3. Resultados, análisis y discusiones

Con la obtención de la frecuencia de los temas abor-dados en los artículos analizados, se seleccionaron los 12 tópicos que quedaron por sobre el promedio de citación (siete) y que se presentan a continuación. En un primer grupo se presentarán los temas relacionados a la generación de RC&D y en el segundo los temas relacionados a la gestión de estos.

3.1. Generación de RC&D

En esta parte se encuentran la definición, fuentes y causas de generación, clasificación y/o categorías, tipos y cantidades y los métodos de cuantificación de RC&D.

3.1.1. Defi nición de RC&D:

A pesar de que no hay un consenso en la literatura sobre la definición de RC&D (Lu y Yuan, 2011), no es necesario tenerlo, siendo rigurosos, para identificar a qué se refiere cuando se habla de RC&D. Algunas de las definiciones reportadas son:

• Residuos que surgen de las actividades de cons-trucción, remodelación y demolición (Wang et al., 2010 y Kofoworola y Gheewala, 2008).

• Materiales excedentes derivados de excavaciones, construcciones civiles y edificios, trabajos en vías, actividades de remodelación y demolición (Hao et al., 2007).

• Residuos de materiales de construcción, embalaje y escombros que resultan de las operaciones de construcción, remodelación, reparación y demoli-ción de casas, edificios industriales y comerciales, y otras estructuras (Clark et al., 2006).




• Diferencia entre los valores de las cantidades de materiales comprados y aceptados en la obra(Mcdonald y Smithers,1998; Shen et al., 2000; Polat y Ballard, 2004; Tam et al., 2006 b).

• Cualquier material, aparte de materiales de la tie-rra, los cuales necesitan ser transportados a otra parte desde los sitios de construcción o utilizados dentro del sitio de construcción para los propósitos de llenos, incineración, reciclaje, reutilización o compostaje (Ekanayake y Ofori, 2004).

• Residuos de construcción, remodelación, y repara-ción de residencias individuales, edificios comercia-les, y otras estructuras de ingeniería civil (Huang et al., 2002).

• Residuos generados de varias actividades de cons-trucción incluidas excavación, construcción civil y de edificios, limpieza de sitios, actividades de de-molición, trabajos en vías y renovación de edificios (Shen et al., 2004).

• Residuos resultantes de la construcción, renovación y demolición de estructuras incluidas edificaciones de todo tipo (residencial y no residencial), proyec-tos de repavimentación de caminos, reparación de puentes, y limpieza asociada con desastres natura-les y humanos (Zhao et al., 2009; y Lu et al., 2006).

• Materiales no deseados generados durante la cons-trucción, incluyendo estructuras y materiales re-chazados, materiales que han sido sobreordenados o son excesos de los requeridos, y materiales que han sido utilizados y se han dañado (Deng et al., 2008).

• Suelo, material y otros generados por cualquier clase de actividades de construcción, incluyendo el desarrollo, rehabilitación y remodelación de proyectos de construcción (Zhao et al., 2009).

Estas definiciones presentan diferencias debido a los límites que consideran ya sea en el proceso de cons-trucción, en cuanto a la actividad dentro del rubro, estados de la materia o en la perspectiva del ciclo de vida de los recursos y productos a través del medio edificado. Por lo tanto, proponemos definir RC&D a cualquier materia en estado líquido, sólido y/o ga-seoso que resulta durante el proceso de extracción de materias primas y producción de materiales y/o servicios que se utilizan para el medio edificado y su posterior demolición y que terminan en la atmósfera, en un botadero o en cualquier otro sitio de disposición legal o ilegal con o sin técnicas apropiadas de manejo.

3.1.2. Fuentes y causas de generación de RC&D:

Según Bossink y Brouwers (1996), Chung y Lo (2002), Polat y Ballard (2004) y Ekanayake y Ofori (2004), las fuentes de generación de RC&D son: errores humanos

en diseños, adquisiciones, manipulación de materiales, operación, residuales y otros. Osmani et al. (2007) han incorporado otras categorías como transporte de materiales, en obra, administración y planificación y almacenamiento de los materiales.

Las causas de generación de RC&D pueden presen-tarse, en su gran mayoría, en dos etapas del ciclo de desarrollo de los proyectos: diseño y construcción. En la primera se tienen errores en los documentos del contrato (Bossink y Brouwers, 1996), falta de infor-mación acerca de los tipos y tamaños de materiales en los documentos de diseño, error en la informa-ción acerca de los tipos y tamaños de materiales en los documentos de diseño (Polat y Ballard, 2004), diseños y detalles complejos, pobre coordinación y comunicación (Osmani et al., 2007). Y, en la segunda, documentos incompletos del contrato, cambios en los diseños, errores al ordenar los materiales, sobre orden en los materiales, errores de proveedores, da-ños durante el transporte a la obra, almacenamiento inapropiado de los materiales, error en los obreros, mal funcionamiento de los equipos, inclemencias del tiempo, accidentes, daños ocasionados por los actividades subsecuentes, uso incorrecto del mate-rial y que requiere ser reemplazado, corte de piezas, residuos de los procesos de aplicación, embalaje de materiales, falta de controles en los materiales, falta de planes de gestión de los residuos, daño por ván-dalos (Bossink y Brouwers, 1996); determinación de tipos y dimensiones de materiales sin considerar des-perdicios y ordenar los materiales sin tener definidos completamente los requerimientos en los documentos de diseño (Polat y Ballard, 2004); especificaciones poco claras e incompletas, dificultades para acceder a los vehículos de reparto a los sitios de las obras, métodos ineficientes de descarga, presión de tiempo, ética de trabajo pobre, robo, pobre coordinación y comunicación (Osmani et al., 2007); malos procesos de los trabajos y mala manipulación del material en las etapas de no trabajo (Poon et al., 2004).

Si bien las fuentes y causas que más se reportan se dan en las etapas de diseño y construcción, dentro del ciclo de vida del proyecto, existen otras etapas en las que también se pueden generar una buena cantidad de residuos como lo son la de operación y término de la vida útil y su posterior deconstrucción y/o demolición del medio edificado. Estas últimas etapas, excepto la de deconstrucción, llegan a cobrar más importancia en cuanto al volumen potencial de residuos considerando la escases de espacios aptos para la construcción don-de se tendrán que derribar estructuras concebidas sin el concepto de deconstrucción y que tendrán que ser renovadas cuando lleguen a su vida útil produciendo una gran cantidad de RC&D.



3.1.3. Clasifi cación y/o categorías de RC&D:

Poon et al. (2001) proponen clasificar los RC&D en cinco categorías: materiales de obras viales, suelo ex-cavado, residuos de demolición, residuos de despejes, y residuos de renovaciones. Laquatra y Pierce (2002) los clasifican en residuos inertes, putrescibles y químicos. Fatta et al. (2003) los clasifican en materiales de ex-cavación, materiales de mantenimiento y planificación de carreteras, materiales de demolición, y materiales de residuos de trabajos en sitio. Y, Jaillon et al. (2008) y Lu et al. (2006) los clasifican en inertes y no inertes.

3.1.4. Tipos de RC&D y sus cantidades:

Existen diferentes materiales que se utilizan en la construcción y que no tienen un aprovechamiento del 100%. En la Tabla 3 se presentan los materiales que más se reportan en la literatura como RC&D.

Tabla 3. RC&D más citados en la literatura

Material Número de citaciones

Hormigón 55

Madera 45

Ladrillos 42

Plástico 26

Metal 25

Acero 22

Placas de yeso - cartón 20

No existe consenso mundial sobre el volumen total de RC&D. Estos van a depender de las tecnologías, idiosincrasia, nivel cultural de los profesionales del sector, entre otros. Por ejemplo, Solís-Guzmán et al. (2009) reportan que el 35% de los residuos en el mundo pertenecen a la industria de la construcción, mientras que Huang et al. (2002) reporta que estos pueden variar entre un 13% y un 29%. En los países industrializados los residuos son por lejos la fracción más grande, contabilizando más del 50% del total de los residuos generados (Spoerri et al., 2009). Ye y Yuan (2010) y Bossink y Brouwers (1996) reportan que en Australia los residuos son del orden del 20% y el 30% y en Alemania del 19%. Bossink y Brouwers (1996) re-portan que en Holanda son el 26%, en Estados Unidos

son entre el 20% y el 29%, en Brasil entre el 20% y el 30%, y en Finlandia entre el 13% y el 15%. Ye y Yuan (2010) y Shen et al. (2004) reportan que en el Reino Unido son más de un 50%. Y Deng et al. (2008) reportan el 30% en Canadá, Zhao et al. (2009) repor-tan entre el 30% y el 40 % en China, y Tam (2007) reporta que en Francia son el 25%, en Hong Kong el 38%, en Japón el 36%, en Italia el 30%, y en España el 70%. Finalmente, en la Región Metropolitana de Chile el 37% de los residuos sólidos corresponde a residuos de construcción (Martínez, 2003).

3.1.5. Métodos de cuantifi cación de RC&D:

Bossink y Brouwers (1996) reportaron que en Holanda los residuos son entre el 1% y el 10% (en peso) de los materiales comprados. De acuerdo a Pinto y Agopyan (1994), el porcentaje de residuos, a nivel de proyecto de construcción en Brasil, es del 20% al 30% del peso de los materiales que se encuentran en la obra. Por su parte, Poon et al., (2001) reportan que los residuos son del orden del 10% al 20% del peso total de los materiales entregados en la obra.

Fatta et al. (2003) han calculado la cantidad de RC&D en Grecia a través de la utilización de datos relevantes del nivel de actividad de la construcción y el número de licencias de demolición. Adicionalmente, supusieron que por cada 1.000 m2 de actividad de construcción se generan 50 m3 de residuos, cada demolición equivale a la construcción de 60 m2 y el volumen generado de residuos es de 114 m3 y, finalmente, el valor promedio de la densidad de los RC&D es 1.5 toneladas/m3.

Kourmpanis et al. (2008) calcularon la cantidad de residuos de demolición en Chipre a través de la si-guiente ecuación:

DW = ND x ANF x AS x DWB x D

Donde DW es la cantidad de residuos de demolición (en toneladas); ND es el número de edificios demo-lidos; ANF es el número promedio de pisos por cada edificio demolido; AS es el área promedio del edificio demolido (130 m2); DWB es el volumen de residuos ge-nerados por cada 100 m2 de área de edificio demolido (80 m3 por cada 100 m2); y D es la densidad promedio de los residuos generados (1.6 toneladas/m3).

SMARTWasteTM es otro método de cuantificación utilizado en el Reino Unido y se basa en información obtenida de experiencias anteriores y calcula el volu-men de los residuos en 13 categorías, por ejemplo: cerámica, hormigón, pallet de madera, etc. (Solís-Guzmán, 2009).




Solís-Guzmán et al. (2009) proponen un método que permite la cuantificación de tres clases de volúmenes de residuos asociados con tres fuentes de residuos previamente identificados: Volumen Aparente de Re-siduos Demolidos (VADi), Volumen Aparente de Restos de Residuos (VARi) y Volumen Aparente de Residuos de Empaques (VAEi). Estos tres volúmenes derivados del Volumen Aparente Construido (VACi) que es el volumen (m3) por cada m2 construido del ítem i.

Wimalasena et al. (2010) proponen una metodología para cuantificar los residuos de construcción basada en el valor financiero por cada metro cuadrado cons-truido y la cantidad empírica de residuos (por peso) por metro cuadrado del edificio.

Si bien se han desarrollado metodologías de estima-ción de los residuos no se dispone de estudios cientí-ficos que analicen conjuntamente todas las variables que inciden en la tipología y magnitud de los residuos generados por una unidad de obra y, adicionalmente, ninguna ha sido a nivel de etapa de construcción que no implique inversiones económicas altas. Esto con el propósito de calcular los niveles generados de residuos por cada material utilizado y de esta manera generar información para la toma de decisiones por parte de los profesionales a cargo del proyecto y que estén directamente vinculados en actividades relacionadas a la gestión de RC&D.

3.2. Gestión de RC&D

A continuación se presentan la jerarquía de la gestión, acciones de gestión, planes de gestión, reciclaje y apli-caciones, y los beneficios y las barreras de gestionar los RC&D.

3.2.1. Jerarquía de la gestión de RC&D:

La mayoría de las tres prioridades en la administración jerárquica de residuos (reducir, reutilizar y reciclar) son conocidas como los principios de la gestión de RC&D “3Rs”, que clasifican las estrategias de la administra-ción de los residuos de acuerdo a su conveniencia. Autores como Deng et al. (2008), Shen et al. (2004) y Kartam et al. (2004), mencionan que la jerarquía de la gestión de RC&D es: evitar, reducir, reutilizar y reciclar. Keys et al. (2000) proponen otra jerarquía incluyendo los siguientes componentes adicionales a la anterior: desarrollo sustentable, prevención, reutilización en obra, recuperación en obra, reutilización fuera de la obra, recuperación fuera de la obra y los botaderos. Peng et al. (1997) reportan otra clasificación diferente

a las anteriores: reducir, reutilizar, reciclar, compostaje, incinerar, y botaderos.

Estas jerarquías no tienen una visión desde la pers-pectiva de Desarrollo Sustentable donde se involucren cambios en el comportamiento de los actores a nivel de consumos responsables que estén en armonía con los ecosistemas. Por lo tanto, proponemos la siguiente jerarquía aplicable a cada uno de los niveles del ciclo de vida de un proyecto de construcción e incorporando acciones específicas para cada nivel: Desarrollo Susten-table a través de la educación, prevención a través de la acción evitar, reducción a través de la optimización, recuperación a través de la reutilización y el reciclaje, aprovechamiento a través de técnicas como el com-postaje y la incineración para generar combustión y el servido en lugares apropiados y con buenas técnicas de manejo ambiental y social.

3.2.2. Acciones de gestión de RC&D:

La mayor cantidad de acciones que se proponen en la literatura están enfocadas a solo dos etapas del ciclo de vida de un proyecto, diseño y construcción. Dejando a un lado las etapas de operación, mantenimiento y término de su vida útil (con una deconstrucción y/o demolición). Donde, en estas últimas, también se generan buenas cantidades de residuos y donde es necesario saber qué acciones emprender.

En la etapa de diseño se informan: diseño colabo-rativo, diseño para la edificabilidad, definición del proyecto, diseño de matriz de estructura, modelos 3D, equipos funcionales cruzados, intercambiar informa-ción incompleta (Polat y Ballard, 2004), diseñar para la deconstrucción, utilizar dimensiones y unidades estandarizadas, utilizar unidades de prefabricados, especificar materiales reciclados, utilizar materiales es-tandarizados, evitar variaciones tardías en los diseños (Osmani et al., 2007); promover un adecuado sistema de adquisición del proyecto donde la experiencia de los contratistas sobre métodos y secuencias de construc-ción puedan ayudar en la toma de decisiones durante la etapa de diseño (Ekanayake y Ofori, 2000), utili-zación de prefabricados realizados fuera de la obra, utilizar componentes estandarizados, utilizar tamaños, capacidad y especificaciones reales de componentes, minimizar trabajos temporales, optimizar la vida del diseño, permitir especificaciones de materiales reci-clados en diseños, diseñar para reciclar y facilidad de desmontaje (Keys et al., 2000).

En la etapa de construcción del proyecto se repor-tan: estructurar el trabajo, entrenar a proveedores, asociación (Polat y Ballard, 2004), informar a los pro-



veedores sobre los requerimientos de los procesos de construcción, pedir materiales a buen tiempo, pedir justo a tiempo, asegurar de que los materiales que son requeridos lleguen al sitio, ordenar apropiadamente el tamaño de los materiales, ordenar las cantidades de materiales (Poon et al., 2004; Al-Hajj y Hama-ni, 2011); comprar eficientemente los materiales, ordenar eficientemente los materiales (Chen et al., 2002), entregar justo a tiempo (Polat y Ballard, 2004 y Al-Hajj y Hamani, 2011), inspeccionar cuidadosa-mente las mercancías cuando lleguen al sitio (Poon et al., 2004); utilizar tecnologías modernas (Chen et al., 2002), educar a contratistas (Ekanayake y Ofori, 2000), adecuado almacenamiento del material (Al-Hajj y Hamani, 2011), proveer una apropiada protección a los materiales, limitar la cantidad de material apilado (Poon et al., 2004), almacenar eficientemente (Chen et al., 2002), eliminar el embalaje, adoptar las 5S (Polat y Ballard, 2004); preparar vehículos adecuados de transporte de materiales, abolir la doble manipu-lación de materiales (Poon et al., 2004), manipular los materiales con suficiente cuidado, controlar cui-dadosamente la manipulación de materiales (Chen et al., 2002), prevenir la doble manipulación, asegurar la adecuada manipulación de equipos para evitar da-ños en materiales, utilizar elementos mecánicos para manipular los materiales (Al-Hajj y Hamani, 2011), formar obreros polivalentes (Polat y Ballard, 2004); designar áreas centrales para corte y almacenamiento de piezas reutilizables, colocar la bodega en un lu-gar conveniente para los operarios, pero lejos de los corredores de transporte, devolver a los proveedores los materiales de empaque de las mercancías (Poon et al., 2004), maximizar la reutilización de materiales, colocar recipientes de disposición de residuos, educar a los trabajadores para reducir los residuos evitables, recompensar las buenas prácticas de los trabajadores (Chen et al., 2002; Al-Hajj y Hamani, 2011), reciclar (Kofoworolo y Gheewala, 2009), utilizar la prefabri-cación de elementos (Jaillon et al., 2009; Tam et al., 2006 b; Al-Hajj y Hamani, 2011), entrenar y generar conciencia a los participantes del proyecto, registrar y medir los diferentes flujos de residuos, segregar los residuos en el sitio, reutilizar las piezas de materiales resultantes de cortes, reciclar en el sitio y fuera del sitio, nombrar un administrador de los residuos en sitio (Al-Hajj y Hamani, 2011).

3.2.3. Planes de gestión de RC&D:

Se encuentran algunas propuestas de planes de ges-tión de RC&D cada una con un foco específico. Todas elaboradas para proyectos de edificación y ninguna para proyectos de otra índole. Adicionalmente, no se encuentran propuestas metodológicas para la elabo-

ración de planes de gestión aplicables a cualquier tipo de proyecto de construcción, que ayuden y faciliten que los profesionales del sector construcción elaboren estos planes en sus proyectos.

McGrath (2001) propuso el SMARTWaste (de su nom-bre en inglés Site Methodology to Audit Reduce and Target Waste), cuyo propósito es la identificación de fuentes de generación de RC&D y la cuantificación de las cantidades generadas. El principio de este sistema es aumentar la recuperación de materiales para reutilizar y reducir la generación de residuos en sitios futuros mediante la utilización de los residuos auditados como punto de referencia para el control de desperdicios (Shen et al., 2004).

Shen et al. (2004) proponen el WMMM (de sus nombre en inglés Waste Management Mapping Model), el cual incorpora las buenas prácticas en Hong Kong sobre la manipulación de residuos. El modelo introdujo un plan de gestión de residuos antes de comenzar las actividades de construcción. El plan especificaría los recursos para manipular los residuos y para mitigar las cantidades generadas de residuos a través de la identificación oportuna del material que debería ser reutilizado.

Chen et al. (2002) presentan un programa de recom-pensas (IRP de su nombre en inglés Incentive Reward Program). Se basa en un sistema de código de barras para cuantificar, en tiempo real, el intercambio de materiales entre el almacén y las cuadrillas y de esta manera evaluar el nivel de utilización de los materiales y recompensar a los trabajadores de acuerdo a las can-tidades y valores de los materiales que han ahorrado en sus operaciones.

3.2.4. Tasas de reciclaje de RC&D y sus aplicaciones:

Los porcentajes de residuos reciclados oscilan de-pendiendo del país y de los autores. Por ejemplo, Del Río et al. (2010), Jaillon et al. (2008) y Chung y Lo (2002) reportan que en Alemania es del 17%, en Bélgica del 87%, en Dinamarca del 81%, en Francia del 15%, en Holanda del 90%, en Italia del 9%, y en el Reino Unido del 45%. Del Río et al. (2010) y Jaillon et al. (2008) reportan que en Austria es del 41%, en España, Grecia, Portugal y República de Irlanda es menor al 5%, en Finlandia es del 45% y en Suecia del 21%. Tam (2007) reporta que en Australia es del 51%, Brasil 8%, Japón 65% y Noruega del 7%. Jaillon et al. (2008) reporta que en Estados Unidos es del 30%, mientras que autores como Chung y Lo (2002) y Horvath (2004) reportan que es del 20 al 30%. Katz y Baum (2011) reportan que en Israel es del orden del




20%. Y, finalmente, Spoerri et al. (2009) reportan que en Suiza es del 80%.

Los RC&D presentan numerosas oportunidades para reciclar (Moussiopoulos et al., 2007). Algunas de estas se pueden ver en la Tabla 4.

Tabla 4. Aplicaciones de RC&D reutilizado y/o reciclados

Residuos Aplicaciones

Hormigón

• Agregado para bases de caminos y lotes de estacionamientos (Manuel, 2003).• Áridos para nuevas mezclas de hormigón (Srour et al., 2010).• Bloques para pavimentos con 70-100% de agregados

de hormigón reciclado (Lu et al., 2006).• Cubierta para botaderos municipales (Moussiopoulos et al., 2007).

Agregado Sub-bases de caminos, llenos para drenajes y hormigones (Tam y Tam, 2006).

Poliestireno, cenizas volantes y escoria de alto horno

Aditivos para el hormigón (Srour et al., 2010).

Asfalto

• Mezclas calientes para pavimentos (Manuel, 2003; y Srour et al., 2010).• Llenos de áridos y lleno de sub-bases (Tam y Tam, 2006).• Mezclas frías para bacheo, caminos temporales, áridos para

bases de caminos, y para tejas (Srour et al., 2010).• Lleno de baches y riego en caminos sin pavimentos (Manuel, 2003).

Madera Combustible de calderas y placas de madera de densidad media (Manuel, 2003).

Material de excavaciones Llenos (Manuel, 2003).

Yeso de placas de yeso-cartón

• Cama de arena para casa de pollos y pavos, mejoramiento de suelos con baja alcalinidad (Manuel, 2003).

• Nuevas placas de yeso-cartón, mejoramiento de drenajes de suelos, crecimiento de plantas, producción de fertilizantes y cementos, operaciones de compostaje (Srour et al., 2010).

Ladrillos• Se trituran para utilizarse en llenos (Srour et al., 2010).• Cubierta para botaderos municipales (Moussiopoulos et al., 2007).

Metal Nuevos metales (Tam y Tam, 2006; y Srour et al., 2010).

VidrioSustituto de arena y áridos como material de cama de las tuberías (Tam y Tam, 2006).

Plástico Para madera de plástico (Tam y Tam, 2006).

Alfombra Algunas fibras se utilizan en nuevos productos (Srour et al., 2010)

3.2.5. Benefi cios de gestionar los RC&D:

Los beneficios de gestionar los RC&D son múltiples (Tam et al., 2006 a). Los económicos se dan por la reducción de los costos de disposición final, reduc-ción de gastos de materiales ordenados en exceso que después se pierden e ingresos por la venta de artículos recuperados (Inglis, 2007). Los beneficios sociales incluyen la prevención de botaderos nuevos e indeseables, reducción de riesgos de salud ambiental y

la reducción de costos de construcción (Begum et al., 2006 a y Lingard et al. 2000). Y los ambientales, entre otros, son el mejoramiento de estándares ambientales públicos, protección ambiental, reducción de riesgos ambientales (aire, suelo y agua contaminada), reduc-ción de enfermedades y lesiones relacionadas con el ambiente (Tam y Le, 2008).

A pesar de que se han reportados los beneficios, no se ha desarrollado una metodología sistemática que



pueda cuantificar de manera conjunta los beneficios en los componentes económico, ambiental y social. Y, de esta manera, tener una magnitud asociada a dichos beneficios y tratar de vincularlos a los objetivos del proyecto.

3.2.6. Barreras para gestionar los RC&D:

Algunos autores han identificado las barreras o di-ficultades para implementar los métodos de gestión de RC&D que ayuden a la minimización de ellos. Tam (2007), encontró los siguientes: bajos incentivos financieros, incrementos de gastos generales, bajos costos de disposición, mercado competitivo, falta de entrenamiento y educación, cultura y comportamiento de la construcción, etc.

Se han identificado algunas barreras para la minimi-zación de RC&D. Por ejemplo, Osmani et al. (2007) reportan, la falta de interés de clientes, legislación, premios financieros, políticas de administración de re-siduos en el sitio, entrenamiento, resistencia al cambio, etc. Chung y Lo (2002), identificaron la tendencia a utilizar materiales de mala calidad debido a la presión de reducir costos, falta de procedimientos sistemáti-cos de reutilización de encofrados, subutilización de moldajes durables especialmente para contratistas pequeños debido a los altos costos, inconsistencias en varios dibujos técnicos para el mismo proyecto, y falta de habilidades en trabajadores.

Quizás, estas barreras se dan porque la construcción se caracteriza por tener una gran inercia al cambio (Martínez, 2003), porque los contratistas perciben altos costos en la implementación, seguido de la falta de directrices e información disponible alrededor del tema, y la falta de herramientas prácticas acerca de planes de gestión de RC&D (Papargyropoulou et al., 2011).

4. Conclusiones

En los últimos años se ha despertado un interés de investigación en los temas de gestión de RC&D, con el propósito de evitar y reducir la generación de estos, promover la reutilización y el reciclaje, y mejorar la gestión de aquellos residuos que no se puedan evitar. Por la complejidad de la industria de la construcción, la que cuenta con diferentes partes interesadas, di-ferentes actores, y diferentes intereses, la gestión de los residuos es mucho más compleja que en otros sectores. Esto debido a que la generación de residuos

en los proyectos de construcción se da desde etapas muy tempranas y su terminación es casi infinita dado que, cuando la vida útil de una obra civil llega a su fin, se convierte en residuos a menos que se recupere, y sin embargo si se llega a recuperar, esta recuperación no llega al 100%.

Se han puesto de manifiesto las causas y fuentes de la generación de residuos, así como las acciones y estrategias para su minimización, pero hace falta más desarrollo en la integración de los hallazgos indivi-duales en el campo de la gestión de residuos, de tal forma de reunirlos en un esquema unificado a través de herramientas prácticas de fácil implementación tanto a nivel de empresa como a nivel de proyecto, de tal forma de incorporarlas como un componente del proceso de planificación de los proyectos.

Cada proyecto de construcción es diferente por lo que un plan de gestión de residuos realizado para un proyecto en específico no es replicable a todos los proyectos, y este, se debe adecuar a las necesidades propias de cada uno de ellos. Es necesario disponer de metodologías de diseño de planes de gestión de residuos para tener directrices de cómo elaborar un plan de gestión independientemente del tipo de proyecto de construcción.

La medición de los volúmenes de residuos generados en un proyecto de construcción es posible a través de metodologías que se enfocan en etapas previas o posteriores al proceso de construcción. Es necesario desarrollar metodologías de medición de los residuos durante el proceso de construcción de los proyectos y que sean de bajo costo de implementación, con el propósito no solo de ir conociendo cuánto es el vo-lumen generado de los residuos, sino también, como información de entrada para la toma de decisiones en cuanto a la gestión de ellos durante el proceso de construcción.

Es necesario contar con medidas legislativas, ventajas fiscales e intervención en el mercado que favorezcan e incentiven la gestión de los residuos, que promueva la reutilización, el reciclaje, y otras acciones que eviten el consumo de materiales nuevos y por ende del consumo de recursos naturales y energía, para de esta forma contribuir a la minimización de los residuos.

Una porción de los residuos producidos en un proyecto de construcción puede ser utilizada y consumida por medio de la reutilización y el reciclaje en la propia construcción. Sin embargo, es necesario establecer procedimientos para hacerlo de manera efectiva.




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[ 17 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012

Marble waste as

construction material –

a diagnosis of the Laguna

region

Residuo de mármol como insumo en la construcción civil - diagnóstico de la Comarca Lagunera

Autores

SANTOS, A. Universidad Juárez del Estado de Durango,[email protected], México

VILLEGAS, N. Universidad Juárez del Estado de Durango,[email protected], México

BETANCOURT, J. Universidad Juárez del Estado de Durango,[email protected], México





páginas: 17 - 26 [ P. Santos, A. C. - Villegas, N. - R. Betancourt, J. ]

Resumen El consumo desmedido de los recursos naturales, así como el aumento de los residuos generados en la mayor parte de las actividades causantes del desa-rrollo, han obligado a establecer sis-temas de gestión y producción más eficientes, que permitan lograr un pro-ceso de evolución sostenible. Una de las responsables de este progreso es la industria de la construcción civil, y como consecuencia de ello se ha con-vertido en una de las responsables de

la acumulación de residuos. En este estudio, se ahonda en las posibilidades de utilización del residuo de la industria del corte y tratamiento superficial del mármol como filler para la producción de hormigón y como base para la fa-bricación de ladrillos. Los resultados muestran que es de fundamental impor-tancia reutilizar el residuo de mármol para disminuir el impacto ambiental en la Comarca Lagunera e indica dos posibles soluciones.

Palabras clave: Residuo de mármol, impacto ambiental, Comarca Lagunera

Abstract The excessive consumption of natural resources and the increasing waste generated in most of the development activities have required establishing management s y s t ems and more efficient production, which will achieve a sustainable development process. Civil construction industry is one of the responsible for this progress, and as a consequence it has become one of

the responsible for the accumulation of waste. This paper introduces the possibilities of using the waste from the manufacture of marble as filler for concrete production and as a basis for making bricks. The results show that it is of fundamental importance marble waste reuse to reduce the environmental impact in the Laguna region and indicates two possible solutions.

Keywords: Marble waste, environmental impact, Laguna region.


páginas: 17 - 26 [ 19 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ P. Santos, A. C. - Villegas, N. - R. Betancourt, J. ]

1. Introducción

El nivel de desarrollo alcanzado en la sociedad actual ha generado una mejora sustancial en la calidad de vida a través de la implantación de diferentes tec-nologías que por sí mismas suponen la aparición de diferentes problemas ambientales. El consumo desme-dido de los recursos naturales, así como el aumento de los residuos generados en la mayor parte de las actividades causantes de este desarrollo, han obli-gado a establecer sistemas de gestión y producción más eficientes, que permitan lograr un proceso de evolución sostenible.

Una de las responsables de este progreso es la indus-tria de la construcción civil, y como consecuencia de ello se ha convertido en una de las responsables de la acumulación de residuos. En ese sentido, uno de los sectores de producción más importantes en el área marmolera, que produce una cantidad enorme de resi-duos, principalmente lodos y polvos procedentes de su elaboración (Zhi & Gibbs, 2005). Estos residuos gene-ran un importante impacto ambiental, que se traduce en problemas sociales y económicos (Cerdera, 2009).

Este estudio se centra en la Comarca Lagunera, al norte de México, que forma parte de los principales productores y exportadores de mármol en el mercado internacional, manteniendo el primer lugar nacional en producción de bloques de mármol. La extracción anual alcanza más de un millón 800 mil toneladas, de las cuales, un 80% de la materia prima es procesada por la industria local. Sin embargo, se mantiene un impacto ambiental significativo debido a la acumu-lación de escombros y residuos en los últimos años.

En la actualidad se generan 450 toneladas de desechos por día (Solano et al., 2010) o sea 162.000 toneladas anuales, lo que representa un contaminante de alto impacto al ambiente y del suelo, en donde son depo-sitados los desechos. Si bien se ha percibido el interés de los empresarios de este ámbito por aminorar las afectaciones en la región, aún no han establecido normativas o restricciones que regulen al sector en lo que se refiere al vertido de todos los residuos. Esto ha generado un detrimento en la salud de la población y de la propia imagen urbana.

Asimismo, existe una fuerte contaminación del suelo debido a la acumulación de polvo sobre la superficie donde es depositado el residuo, por ocupación parcial de la superficie por escombros. De esta manera, el suelo absorbe el óxido de calcio (CaO) del residuo que con el tiempo va provocando que el suelo en donde se encuentra se vuelva infértil y no permita el crecimiento de vegetación. (Rodríguez, 2012)

Además de ser un contaminante para el ambiente y los suelos, esta contaminación produce numerosas enfermedades, como es la neumoconiosis, la cual es la principal causa de muerte entre los trabajadores de la industria del mármol, al inhalar el polvo que se genera en el área de trabajo acumulándose en los pulmones provocando que la respiración sea complicada, origi-nando cáncer (Cuervo et al., 2003). Es necesario en-fatizar que estas enfermedades no solo corresponden al personal que labora dentro de las empresas, sino también a las personas que viven en comunidades ve-cinas a los vertederos del residuo, y a toda la población de la comarca debido a la climatología de la región. En ella es muy frecuente el fenómeno de lluvia de tierra, conocido como “lluvias laguneras”, las cuales trans-portan además de tierra el residuo de dicha industria.

En ese sentido, se están desarrollando numerosas investigaciones a nivel nacional e internacional con el objetivo de reutilizar el Residuo del Mármol (RM) en diferentes materiales constructivos con el fin de disminuir la contaminación visual, ambiental y de da-ños a la salud (Bonavetti et al., 2003; Bosilijkov,2003; Calmon, 2005; Girbes et al., 2008). También existen numerosos trabajos que se centran en el estudio de las propiedades físicas y químicas (Nehdi et al., 2004; Topcu et al., 2008; Vázquez et al., 2004, Fernández et al., 2004).

Dichos trabajos y estudios previos reflejan la clara necesidad de reducir la cantidad de desechos del mármol, por medio de propuestas de utilización de los mismos en la elaboración de nuevos materiales de construcción (Codina, 2002).

Figura 1. Valor de los productos de la industria manufacturera en los estados de Durango y Coahuila

(INEGI, 2010)

800070006000500040003000200010000M

illon

es d

e pe

sos

mex

ican

os

CoahuilaDurango

2005 2006 2007 2008 2009

Año




En la Comarca Lagunera, la industria de extracción de mármol llega a facturar entre 20 mil y 30 mil dólares al año según la Coordinación General de Minería, Di-rección General de Promoción Minera (2006). Tal como se puede observar en la figura 1 para los estados de Durango y Coahuila, la facturación de este sector es de gran importancia y de gran impacto económico, ya que desde que se inició con el fomento al subsector de fabricación de productos a base de minerales no metálicos, la economía de dos entidades federativas se ha incrementado considerablemente.

1.1. Caracterización del residuo del mármol y su afectación

Al inicio de la industrialización los residuos se depo-sitaban en vertederos, ríos, mares o cualquier otro lugar que se encontrara cerca. Con el desarrollo de este sector, la cantidad y variedad de residuos que se generan se ha incrementado en gran medida. Durante varios decenios se ha seguido eliminando por el sim-ple sistema del vertido, y cada vez ha sido mayor la cantidad de sustancias químicas tóxicas. En los años cincuenta y sesenta se han comprobando las graves repercusiones sobre el ambiente que este sistema de eliminación de residuos representa (Santos, 2004).

Paralelamente la cantidad de todo tipo de residuos se ha aumentado de forma acelerada y se ha hecho evidente que se debe tratar adecuadamente para reducir sus efectos negativos. Hay objetos o mate-riales que son residuos en determinadas situaciones, mientras que se pueden considerar insumos para otras industrias, por ejemplo como las cenizas volantes en la elaboración de concretos (Neville, 1995).

Para este estudio se ha realizado un diagnóstico para identificar los diferentes residuos provenientes de las distintas etapas del proceso del corte y tratamiento de la industria del mármol, tal como se puede ver en la figura 2. En este trabajo se ha empleado el residuo de la etapa de corte, pulido y la etapa de acabado. Se producen del orden de 170 kg de residuo seco por metro cúbico tratado, estando constituidos minera-lógicamente por calcita de manera mayoritaria, con cuarzo y huntita Mg3Ca(CO3)4 (Shahul 2009).

Por otro lado, los consumos de agua en dicha opera-ción son de aproximadamente 1,5 m3/m2 de superficie aserrada, con lo que es necesario un control adecuado sobre la correcta manipulación de estos efluentes, que permiten tanto la recirculación de esta o el vertido a cauces públicos sin riesgo de contaminación de las corrientes de aguas naturales.

Figura 2. Residuos generados por etapa del proceso de la industria marmolera (Solano et al, 2010)

Láminas de mármol

Corte Lodo, polvo, retalAgua

Material particulado, lodosTratamiento superficial

Diseño

Tallaje

Ácidos, agua Aguas ácidas, salesQuemado de imágenes

Agua Lodo, polvoPulido

Agua, pinturas, adhesivos

Aguas de lavado, COV's, residuos sólidos

Acabado

Producto final



El residuo utilizado en este trabajo ha sido recolecta-do directamente de empresas que reciclan el agua a través del filtrado del agua residual. Esto ha evitado la contaminación del residuo por otros materiales en los centros de depósito. Sin embargo, el destino de estos residuos es un depósito que en la mayoría de los casos no son los apropiados. El material ubicado en estos depósitos, al secarse, se va dispersando con el viento, y el resto simplemente forma un montón de escombro que afecta directamente con la imagen urbana de la región, tal como se puede observar en las figura 3.

En ella se observa el escombro generado en los depósitos de diferentes empresas estudiadas. Es importante resal-tar que a través de décadas de exploración del mármol estos tiraderos se han tornado parte del entorno visual en muchos de los sectores de la Comarca Lagunera. Los residuos vertidos van desde piedras mayores a 30 cm hasta polvos finos que son transportados en toda la mancha urbana por los fuertes vientos o lluvias de tierra afectando de forma considerable a la población.

Figura 3. Acumulación de residuos vertidos dentro de la empresa estudiada

Dentro del estudio se ha identificado que los procesos que más generan residuos de lodos y polvos son el precorte y el corte primario, donde se realiza el corte de los bloques para su manufactura en talleres y su transformación en planchas y piezas para su puesta en obra. Dicho proceso se lleva a cabo a través de discos diamantados, que necesitan de una refrigeración, en este caso agua para evitar el daño al equipo de corte y la invasión del polvo en el área de trabajo. De esta forma, la mezcla del agua de refrigeración y de la gra-nalla producida en el corte forman los lodos de proceso. Estos efluentes están cargados de partículas finas y por lo general se recogen por sedimentación.

Este residuo es de alto grado de contaminación, tanto en el medio ambiente como en la salud (Shahul 2009); esto se debe a que en su composición química contiene elementos que erosionan los suelos y los deja estériles; y que al tener un contacto constante con la población origina problemas de salud. Sin embargo, carecen de elementos tóxicos o nocivos desde un punto de vista químico, siendo el mayor problema su almacenamiento en un lugar adecuado.

1.2. Estado actual de la utilización de los residuos de mármol

La utilización de los residuos de la elaboración de mármol es básicamente la misma que la del carbo-nato cálcico (CaC03). Los productos competidores de los residuos de mármol y caliza marmórea son el carbonato cálcico (triturado y molido en seco) y también el caolín y talco, siendo los problemas fundamentales de los residuos la humedad y la he-terogeneidad de color.

Entre los usos más comunes de los residuos del mármol se puede destacar: en la industria del cemento, desul-furante, aplicaciones en la industria del papel (hasta un 25%), elaboración de pinturas (hasta un 30%) me-jorando las características reológicas de la emulsión, usos agrícolas para reducir la acidez de los suelos (hasta niveles aceptables), prefabricados en la construcción consumo de media tonelada de residuo por cada m3 de elemento prefabricado, fabricación de mármoles artifi-ciales, objetos de decoración, restauración de elementos constructivos, entre otros (Molina y Ramos, 2003)

Es notoria la cantidad de trabajos donde se comprueba la idoneidad de finos calcáreos para la elaboración de hormigón (Pera et al., Bonavetti et al., 2003; Bosiljkov, 2003; Bederina, 2005).

Corinaldesi et al. (2005) indican que el polvo de már-mol es una adición efectiva para mejorar la cohesión




de las mezclas y que permite sustituir hasta un 10% de arena sin afectar la resistencia a compresión. Zhu y Gibbs (2005) estudian el uso de distintos tipos de fillers de naturaleza caliza y de creta en hormigones autocompactantes (HAC), concluyen que ambos son aptos para su uso como fillers, con ligeras modifica-ciones en la dosificación de los aditivos, siendo esta menor en el caso de los fillers de naturaleza caliza.

Estudios llevados a cabo por Correia Gomes et al. (2005) concluyen que la utilización de los residuos de corte de mármol y granito hasta en un 50% en peso del cemento, no conlleva ningún perjuicio para las propiedades de los hormigones y corroboran que la adición de dichos residuos ayuda a conseguir las propiedades de autocompactabilidad.

Debido a la semejanza química que existe entre el polvo del residuo del corte de mármol y el filler calizo habitualmente utilizado en el HAC, Girbes et al. (2008) han evaluado las posibilidades de sustituir el primero por el segundo. En este sentido, ensayos microes-tructurales han comprobado que la adición de filler o lodos del corte de mármol favorece la hidratación del cemento a tiempos cortos.

En general, el uso del residuo como alternativa al tradicional filler calizo no altera la hidratación final de las pastas compuestas de cemento portland, Alya-mac e Ince (2007) enfatizan que este residuo puede ser económicamente utilizado. En definitiva, se están desarrollando técnicas de construcción encaminadas a minimizar el impacto generado sobre el medio am-biente.

2. Metodología

En los últimos años, la reutilización de residuos ha permitido concebir materiales que mantienen el ritmo de la construcción y al mismo tiempo disminuyen el impacto ambiental causado por la misma industria. En este trabajo, se presentan dos estudios que viabilizan la incorporación del RM en la fabricación de materiales para la industria de la construcción civil.

En primer lugar se presentan las características físico-químicas del RM empleado, así como de los materiales utilizados en este estudio. En seguida se expone el estudio de la sustitución de la arena por RM para la fabricación de hormigón. Para ello se han utilizado materiales disponibles en la Comarca Lagunera. La fabricación de hormigón con RM ha sido realizada con éxito en diferentes países (Vázquez et al., 2005), pero su utilización en dicha región de México no es ampliamente conocida por los ingenieros civiles.

Por último, se muestra el estudio de la fabricación de ladrillos a base de RM. Para ello, es necesario que los ladrillos presenten una resistencia a compresión adecuada y una baja absorción, propiedades que han sido estudiadas en este trabajo.

2.1. Materiales

Se ha utilizado arena y grava calizas de machaqueo, cemento tipo CPC 30R, y agua correspondiente a la red de Gómez Palacio. La composición química del RM utilizado en este estudio se presenta en la tabla 1.

Tabla 1 Composición química del RM

Componentes CaCO3 Fe Al SiO2

Valor 95% 0.038% 0.10% 1.02%

En ella se puede observar que el RM está conformado básicamente por carbonato de calcio. Estas concen-traciones de los componentes son adecuadas para la fabricación de productos de construcción con ce-mento, puesto que el carbonato de calcio es inerte y no produce reacciones posteriores en ninguna etapa del desarrollo de resistencias de la pasta de cemento.

La densidad del RM, arena y grava empleados es de 2.78 g/cm3, 2.65 g/cm3 y 2.68 g/cm3 respectivamente.

2.2. Estudio de la incorporación de RM al hormigón

Para realizar este el estudio se ha decidido disminuir al máximo el número de variables, por lo que se ha fijado la cantidad de cemento, la relación agua/cemento (a/c) y la cantidad de grava. Se ha realizado la sustitución de la arena por RM en peso en su estado natural, o sea, tal como sale de la planta. En la tabla 2 se muestran las dosificaciones realizadas en este estudio.

Las dosificaciones han sido denominadas por M re-ferente al residuo de mármol seguidas de un número que corresponde al porcentaje de sustitución de RM por arena. De esta forma la dosificación M30 equivale a 30% de RM y 70% de arena. No se ha realizado la dosificación M90 y M100 dado que los valores de resistencia a compresión de la M80 han sido bastante reducidos lo que inviabilizaba su aplicación práctica.



Para estos hormigones se han realizado los estudios de revenimiento (slump test) y resistencia a compresión a 7 y 28 días; los resultados se presentan en la tabla 3 y figura 4.

Se puede observar que el revenimiento no ha sido in-fluenciado por la adición de RM, eso se debe a que el

residuo cuando sale de la industria está prácticamente saturado y no absorbe agua de amasado. En esta serie de estudios no se ha realizado el control de humedad del RM, pero se está realizando nuevamente una serie similar corrigiendo el contenido de agua en función de la humedad del residuo.

Tabla 2 - Dosifi caciones empleadas

Control M10 M20 M30 M40 M50 M60 M70 M80

Arena kg/m³ 793 714 634 555 476 397 317 238 159

RM kg/m³ 0 79 159 238 317 397 476 555 634

Grava kg/m³ 1044 1044 1044 1044 1044 1044 1044 1044 1044

Agua kg/m³ 228 228 228 228 228 228 228 228 228

Cemento kg/m³ 325 325 325 325 325 325 325 325 325

a/c - 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7

Tabla 3 Resultados de los hormigones con RM

Control M10 M20 M30 M40 M50 M60 M70 M80

Revenimiento (cm) 16 14 16 15.5 15.5 19 16 20 16

Resistencia 7 días (kg/cm3)

162 165 123 127 107 90 70 60 58

Resistencia 28 días (kg/cm3)

221 205 164 147 130 115 108 104 87

Figura 4 - a) Revenimiento b) Resistencia a compresión

250

200

150

100

50

0

Resi

st a

com

pres

ión

(kg/

cm2 )

0 10 20 30 40 50 60 70 80% de residuo de mármol (%RM)

resist 7resist 28

25

20

15

10

5

0Resi

st a

com

pres

ión

(kg/

cm2 )

0 10 20 30 40 50 60 70 80% de residuo de mármol (%RM)




Por otro lado, se puede constatar que a medida que se incrementa el porcentaje de sustitución de arena por RM la resistencia a compresión disminuye. Dicha pérdida de resistencia es similar al porcentaje de RM, es decir la dosificación M40 tiene un 40% menos de resistencia a compresión. Sin embargo, esto se puede corregir con un pequeño aporte de cemento y/o una ligera reducción del agua. Hay que considerar que el residuo no estaba seco con lo que la relación a/c real se incrementa ocasionando la pérdida de resistencia.

Se puede concluir que el aporte de RM en su condi-ción natural disminuye la resistencia a compresión y que es necesario rehacer los estudios corrigiendo la cantidad de agua aportada. Entretanto esta es una de las soluciones para la utilización del RM.

2.3. Estudio de la fabricación de ladrillos

En esta línea de estudio se está realizando una serie de dosificaciones empleando como base el RM. Para diferentes mezclas se ha estudiado la influencia de la forma de los ladrillos: cilindros de diámetro 15 cm y 7.5 cm de altura y cubos de 5 cm. Se ha concluido que la forma de los ladrillos no ha influenciado los resul-tados y se ha decidido estudiar primero la influencia de los diferentes porcentajes del RM.

Para la fabricación de los ladrillos se ha empleado el RM como base y se ha aportado diferentes cantidades de cemento. El porcentaje de agua se ha mantenido constante, es decir se ha alterado la relación entre cemento y RM pero como ambos son materiales finos no se ha alterado la cantidad de agua. En la tabla 4 se muestra la serie de dosificaciones realizadas a base de RM. El ensayo de absorción se ha realizado según la NMX-C-037 y el de resistencia a compresión según la NMX-C-036. Para cada muestra se han realizado 20 ladrillos.

Se puede observar que la absorción no ha cambiado en función de la cantidad de cemento. Los valores de absorción están dentro del rango de valores de la NMX-C-404 para ladrillos no estructurales (máx. 21%) pero no son aceptables para ladrillos estructurales (máx. 15%).

En cuanto a la resistencia a compresión la misma NMX-C-404 limita como resistencia mínima para ladrillos estructurales 100 kg/cm3 y para ladrillos no estructu-rales 60 kg/cm3. Nuevamente los resultados apuntan para un ladrillo no estructural. Se puede observar que hay una influencia importante en la resistencia el incremento de 8 a 11% de cemento, pero a un mayor porcentaje no hay incremento en la resistencia.

Tabla 4 Resultados de los ladrillos a base de RM

Muestra CementoAgua/(c+RM)

Resistenciakg/cm2

Absorción

1 8% 15% 45.83 17%

2 11% 15% 81.56 16%

3 14% 15% 82.76 18%

Como conclusión de esta etapa se puede decir que se ha podido obtener un ladrillo no estructural con 11% de cemento, lo que hace que el precio sea bas-tante atractivo. Para la siguiente etapa el objetivo es encontrar una dosificación para realizar ladrillos estructurales.

3. Conclusiones

Este trabajo ha realizado un estudio en el proceso de la industria de extracción y corte de mármol. Se puede concluir que es imperante que se reaproveche el RM para disminuir el impacto ambiental de la Comarca Lagunera.

En este estudio se demostró que es viable la incorpo-ración de RM para la fabricación de hormigón conven-cional para su aplicación no estructural, sin embargo se está desarrollando una dosificación que permita su aplicación estructural.

Además se ha mostrado que la fabricación de ladrillos a base de RM es técnicamente posible y su costo puede ser bastante reducido debido a que su composición es 74% de dicho residuo.

Es necesario seguir avanzando en ambas líneas de trabajo para obtener dosificaciones definidas, consi-derando la humedad del residuo y que evite la pérdida de resistencia a compresión del material.

4. Agradecimientos

Los autores de este trabajo manifiestan su agradeci-miento al Programa de Mejoramiento de Profesores (PROMEP) de la Secretaría de Educación Pública de México (SEP) por la financiación de este proyecto; y a los técnicos del laboratorio de hormigón de la Facultad de Ingeniería Ciencias y Arquitectura de UJED por la ayuda a los trabajos realizados.



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Thermal comfort assessment

for 10 public buildings in

Chile during the winter

season

Evaluación del confort térmico en recintos de 10 edifi cios públicos de Chile en invierno

Autores

MOLINA, C. Pontificia Universidad Católica de [email protected], Chile

VEAS, L. Pontificia Universidad Católica de [email protected], Chile





páginas: 27 - 38[ Molina. C. - Veas L. ]

Resumen El confort ambiental es un parámetro esencial en cualquier recinto de trabajo y cada día toma más fuerza, pero poco se conoce. Se midieron variables ambienta-les y realizaron encuestas de satisfacción en 10 edificios públicos en uso en Chile, obteniéndose el Porcentaje de Personas Insatisfechas (PPI), Voto Medio Previsto (PMV), Porcentaje de Insatisfechos (PI) y Voto Medio (MV). Se comparan las condiciones neutrales recogidas en las normas ISO7730 y ASHRAE55, y los ín-dices calculados. Además, se analizan las encuestas de satisfacción y posibles factores de adaptación. Los resultados arrojaron bajo porcentaje de aceptabi-

lidad ambiental principalmente en las 4 escuelas debido a la mala calidad de aire y bajas temperaturas, correlacio-nándose positivamente con las encues-tas realizadas y entre la diferencia de temperaturas efectiva y operativa, que llega hasta -10,05. En el 80% de los edificios prefieren ambientes más cálidos en invierno, desplazándose el neutro en +0,52 puntos en la escala de sensación térmica. Se espera que este tipo de in-vestigaciones vayan en aumento dada la real necesidad del país de contar con recintos confortables que mejoren la pro-ductividad y aceptación de los usuarios por su ambiente de trabajo.

Palabras clave: Confort térmico, PPI, PMV, adaptación.

Abstract Environmental comfort in working space is an essential component in any architectural project and takes more strength every day, but little is known about. Environmental variables were measured and surveyed satisfaction of 10 public buildings in use throughout Chile obtaining the predicted percentage of dissatisfied (PPI), predicted mean vote (PMV), Percentage of Dissatisfied (PI) and mean vote (MV). We compare the neutral conditions contained in the standards ISO 7730 and ASHRAE 55, and the calculated indices. Also discusses the satisfaction surveys and possible adaptation factors. The results

showed low level of environmental acceptabi l i ty in 4 schools main ly because of poor air quality and low temperatures, correlating positively with the surveys and the difference between operational and effective temperature, which reaches -10.05 °C. In 80% of the buildings prefer warmer environments in winter, moving the neutral +0.52 points on the scale of thermal sensation. It is hoped that such investigations will go in rise given the country›s real need to have comfortable venues that improve product iv i ty and user acceptance for their work environment

Keywords: Thermal comfort, PPI, PMV, Adaptation.


páginas: 27 - 38 [ 29 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Molina. C. - Veas L. ]

1. Introducción

Concepto de confort en el ser humano

El interés en el bienestar ambiental del ser humano ha estado presente desde Sócrates y Vitruvio, procurando crear y construir ambientes adecuados en función del clima de la zona, sobre todo por razones de confort y salud (Auliciems & Szokolay, 2007). Pero no fue sino hasta el siglo XX cuando se comenzó a investigar más profundamente sobre este tema y el impacto que este concepto tiene en la producción y mejoramiento de la calidad de vida de la población. Junto con el desarrollo del diseño, las tecnologías, mejoramiento de los sis-temas y técnicas constructivas, se han creado equipos y técnicas de control ambiental que no siempre son consideradas por los diseñadores, anteponiendo la arquitectura por sobre los componentes energéticos y ambientales.

En consecuencia, diversos arquitectos e investigadores han deseado a lo largo de los años crear y estanda-rizar ambientes cada vez más confortables al menor costo energético y contaminación ambiental, evitando comprometer la salud de los usuarios, permitir que estos se sientan confortables, y fomentar su buen des-empeño. Numerosos estudios (Frontczak & Wargock, 2011; Mahdavi & Unzeitig, 2005) demuestran que el rendimiento está estrechamente relacionado con las condiciones ambientales, que estas condiciones cam-bian de una persona a otra, y dependen de múltiples factores como: luz natural, iluminación, ruido am-biental, calidad de aire, confort térmico, entre otros.

El conocimiento de lo que realmente aprecian y valoran del ambiente las personas que trabajan o utilizan estos espacios es esencial para focalizar las estrategias de mejora y estándares de diseño de los edificios públicos del país.

a) Confort ambiental

“Una persona se encuentra confortable cuando pue-de observar y sentir un fenómeno sin preocupación o incomodidad” (Corbella & Yannas, 2003). Así, es posible hablar de confort térmico, acústico y lumínico, como variables del confort ambiental. Si alguno de los factores que afectan el confort del usuario se eleva por sobre ciertos límites, a largo plazo se produce un estrés negativo en el cuerpo que puede desencadenar en diversas enfermedades físicas y psicológicas asociadas.

Las principales estrategias ambientales a desarrollar en un edificio que responda a estas interrogantes, nacen

a partir de los datos climáticos y estimaciones de uso del lugar. Estas conllevan a controlar las pérdidas y ga-nancias de calor, iluminación natural, energía térmica del edificio, eliminar el exceso de humedad del interior, controlar el movimiento del aire, nivel de ventilación y renovaciones de aire para mejorar la calidad de este; y controlar las concentraciones de gases contaminantes procedentes tanto de las actividades humanas y de calefacción, como de los materiales de construcción (COV). Finalmente, promover el uso de iluminación natural sobre la artificial sin perjudicar las ganancias de calor, y mantener controlado el ruido interior y exterior (Corbella & Yannas, 2003).

b) Confort higrotérmico

Esta variable ambiental no fue importante hasta la crisis del petróleo (1973), cuando el precio de los combustibles aumentó considerablemente afectando la economía mundial. El confort térmico es definido por la ASHRAE 55 y UNE-EN ISO 7730 como el “estado de la mente que expresa satisfacción con el ambiente térmico”. Se señala que este es alcanzado cuando el cuerpo está en balance térmico, es decir, cuando rea-lizando cierta actividad, no se experimenta un estrés térmico para corregir la energía que produce el cuerpo internamente, manifestado a través de la transpiración excesiva o escalofríos. Otra variable importante se relaciona con la concentración de vapor de agua a la temperatura existente (humedad relativa), variando la percepción que se tiene del ambiente térmico, ya sea mejorándola o empeorándola según sea el caso.

Este estado se indica dentro de una zona de confort representada en un gráfico psicométrico (ver Figura 5), en donde se señalan las condiciones higrotérmicas en las cuales la mayoría de las personas se encuentran a gusto. Sin embargo, al ser un estado subjetivo, cambia de persona a persona por razones tanto psicológicas como fisiológicas, lo que ha dado origen a dos distin-tos enfoques de análisis.

Enfoques racional y adaptativo

En la actualidad se realizan dos diferentes enfoques para estudios del confort térmico de los usuarios. Uno de ellos corresponde al enfoque racional o estático, base teórica de las normas mencionadas y funda-mentada principalmente en los estudios de Fanger y el balance térmico. Este enfoque no toma en cuenta variables como el contexto, los mecanismos de acli-matación del usuario, variables demográficas, y psico-lógicas. En cambio, estos factores sí son incluidos en los estudios realizados según el enfoque adaptativo, donde el usuario es un actor activo que interactúa con




el ambiente, adaptándose y modificándolo según sus preferencias y comodidad.

Enfoque racional

Fanger (1972) estudió el comportamiento del cuerpo sano, adulto y sedentario al estar en estado de con-fort, relacionándolo finalmente con la temperatura superficial de la piel. Según su estudio, para conseguir este estado hay tres variables principales que deben permitir que el calor emitido por el cuerpo sea igual a la producción interna del mismo. Estas son: vestimen-ta, actividad que se está realizando o metabolismo, y ambiente externo. Al hacer variar cualquiera de estas la temperatura de confort variará, produciendo en el cuerpo respuestas fisiológicas en forma proporcional a la incomodidad térmica percibida.

El resultado de la investigación fue la creación de la ecuación de confort, usada comúnmente en estudios de campo y recogida por las normas ISO 7730 y ASHRAE 55 para relacionar el confort térmico de un grupo de individuos a una escala de sensación térmica. Esta esca-la va desde el nivel -3 (frío) a +3 (calor), índice llamado Voto Medio Estimado (PMV por sus siglas en inglés), y se puede relacionar este valor con el Porcentaje Previs-to de personas Insatisfechas (PPI o PPD por sus siglas en inglés), teniendo como valor mínimo un 5%. Esto quiere decir que, modificando todos los parámetros ambientales para conseguir que el valor del PMV sea 0 o neutro, como máximo se puede obtener al 95% de personas satisfechas en esas condiciones.

Con estos valores es posible clasificar térmicamente el entorno como Aceptable según la clasificación de la norma UNE-EN ISO7730:1996 si el PPD es inferior al 10% y el PMV se encuentra en el rango -0,5<PMV<0,5. Por otro lado, una segunda clasificación nace a partir de la norma ASHRAE 55, la que asigna a los recintos un

estándar de confort Clase A, B y C, dependiendo de los resultados del PMV y PPD. La clase A (-0,2<PMV<0,2 y PPI>6) es obtenida con valores cercanos a los máximos o mejores, la clase B (-0,5<PMV<0,5 y PPI>10) también está dentro de lo que la norma ISO clasifica como Aceptable, y la Clase C (-0,7<PMV<0,7 y PPI>15) cla-sifica fuera del rango Aceptable por esa norma, pero ciertos recintos pueden ser diseñados con la calidad que esa Clase toma como aceptable.

Enfoque adaptativo

Finalmente, el análisis o percepción subjetiva del am-biente térmico comúnmente se realiza a través de una encuesta de aceptabilidad y preferencia, relacionada también con la escala de de sensación térmica de los 7 puntos de Fanger, donde el resultado arroja el porcentaje Voto Medio (MV) y Porcentaje de Insatis-fechos (PI) y permite correlacionar estos resultados con los correspondientes a la percepción objetiva de neutralidad térmica.

Diversos estudios (van Hoof & Hensen, 2007) han de-mostrado que al tomar en cuenta ambos enfoques, y no limitar el estudio solo a lo que hacen referencia las normas, trae numerosas ventajas en estudios de campo para analizar la aceptabilidad real de los usuarios, lo que no necesariamente se logra a las temperaturas in-dicadas por las normas. Sin embargo, son irrelevantes en estudios de laboratorio en cámara climática, como lo hizo Fanger.

Las normas usadas actualmente pretenden ser apli-cables a cualquier tipo de edificio, cualquier tipo de ventilación, patrón de ocupación y zona climática. A partir de esta hipótesis, el desafío de los investi-gadores y profesionales involucrados en el tema es realizar estudios de campo para comprobar su eficacia a menor escala.

2. Caracterización de los edifi cios

Tabla 1: Características de los 10 edifi cios estudiados

Región II III X XI XI

Edificios 1 3 5 7 9

Dat

os

clim

átic

os

Latitud 23°39'05'' S Latitud 27º 15’ S Latitud 39º7’0,07’’S Latitud 41°27'26.19"S Latitud 45°23’71’’S

Longitud 70°24'07'' O Longitud 70º 46’ O Longitud 71º28’23,48'', O Longitud 72°55'43.33"O Longitud 72°41’18’’O

Altura geográfica

8 msnm Altura geográfica




8 msnm

Tipo de clima[1]

Norte Litoral Tipo de clima


Sur Interior Tipo de clima

Sur Litoral Tipo de clima

Sur extremo



Región II III X XI XI

Edificios 1 3 5 7 9

Dat

os

clim

átic

os

Latitud 23°40'18''S Latitud 27º 21’ S Latitud 39°21'29.33"S Latitud 41°27'26.19"S Latitud 47°115’11’’S

Longitud 70°23'52''O Longitud 70º 20’ O Longitud 71°35'23.28"O Longitud 72°55'43.33"O Longitud 72°34’29’’O

Altura geográfica





148 msnm

Tipo de clima


Norte Valles Transversales

Tipo de clima

Sur Interior Tipo de clima

Sur Litoral Tipo de clima

Sur extremo

Fuente: elaboración propia.

3. Toma de datos

A partir del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706 desarrollado por un consorcio tecnológico coor-dinado por el Instituto de la Construcción, durante los años 2010 y 2011 se monitorizaron 10 edificios en 5 regiones a lo largo del país (ver Tabla 1). Entre los edificios estudiados se encuentran recintos de oficinas (5), de uso educacional (4) y de servicio (1). Se realizaron 2 campañas de mediciones durante un año, tanto en temporada de invierno como de vera-no, durante las cuales se monitorizaron, entre otras, variables ambientales y energéticas que permitieron realizar un completo análisis de desempeño del edificio durante 1 semana.

Para contar con la percepción de los usuarios se les realizó una encuesta a las personas que realizaban actividades en los recintos diariamente. Estas fueron 64 personas durante el verano y 81 personas en la campaña de invierno.

En el presente estudio se analizarán condiciones de confort térmico durante la campaña de invierno para cada recinto de trabajo observado.

4. Objetivos del análisis

El presente artículo tiene por objetivos realizar los análisis pertinentes que pretende responder dos inte-rrogantes, a saber:

Por un lado, ¿son aplicables las normas ASHRAE 55 e ISO 7730 como referencia para estudios de confort térmico en los edificios medidos? Para contestar a esta interrogante se realizó una comparación entre el estudio realizado por Fanger en cámaras controladas y reflejado en las normas anteriormente mencionadas, lo demarcado por Givoni en el gráfico psicométrico

como zona de confort, y el estudio de campo realizado en los 10 edificios públicos a lo largo de Chile. Este análisis presupone al individuo como un actor pasivo frente a los estímulos del ambiente, y se basa en la teoría del balance térmico del cuerpo (de Dear, Brager, & Cooper, 1997).

Por otro, ¿son los parámetros ambientales derivados de los estudios de Fanger y utilizados para considerar un ambiente como “neutral” similares a los consi-derados neutrales por los usuarios de los edificios estudiados? Para esto se debe analizar la aceptabilidad real del ambiente térmico a partir de las encuestas de satisfacción, respuestas que se ven influenciadas por diversos factores como: el contexto, comporta-miento, personalidad y expectativas de los usuarios al contestar la encuesta de satisfacción. Los diversos estudios realizados sobre este tema han dejado el cuestionamiento sobre si a las personas que habitan climas no templados, les gusta sentir neutralidad con el medio ambiente en el que trabajan o se inclinan por ambientes más cálidos o más frescos, influenciados por el clima predominante en la zona (Humphreys & Hancock, 2007). Esto ha derivado en el modelo de adaptación del confort térmico, basado en que el cuerpo sano reacciona constantemente frente al ambiente que lo rodea realizando ajustes de tipo adaptativo según sus gustos y preferencias, lo que se manifiesta a través de mecanismos de adaptación tanto relacionados con el comportamiento, como de tipo psicológico y fisiológico.

Con estos resultados se pueden efectuar recomenda-ciones de diseño de los ambientes evaluados o de ma-nejo de los sistemas de calefacción y ventilación para aumentar o disminuir la temperatura interior. Esto, sin embargo, puede implicar un aumento en la tasa de PPI dada por la norma ISO7730, debido a que estos cálculos están basados en parámetros universalmente establecidos como de confort, y no reflejan la realidad de un grupo más acotado de personas.




5. Metodología de análisis

Se realizaron 2 tipos de análisis. El primero es de tipo racional o matemático, donde se estudiaron los valores PMV y PPI de cada recinto monitorizado. Estos valores se calculan a partir de las mediciones de los parámetros ambientales y de las condiciones de trabajo de los usua-rios tales como la vestimenta y actividad metabólica.

El segundo enfoque del estudio es de tipo adaptati-vo, para analizar la aceptabilidad real que tienen los usuarios de las condiciones térmicas del edificio, para el cual se utilizaron las encuestas de satisfacción. Este último análisis corresponde a un resultado subjetivo, ya que influyen factores tales como la cultura, el clima, y la adaptación de tipo social, psicológica y conductual. (Djongyang, Tchinda, & Njomo, 2010)

Para realizar el análisis de los resultados de la encuesta, se seleccionaron las preguntas que arrojan respuestas de los usuarios relacionadas con la Aceptabilidad y Preferencia en temas térmicos.

Se entiende aceptabilidad como la percepción del usuario a través de la escala de los 7 valores de Fanger, que en este estudio fue registrada para los horarios de mañana, tarde y promedio del día, y se calculó como el promedio de los votos registrados MV (Voto Medio).

Para calcular el porcentaje de personas que se encuen-tran inconformes con el ambiente (PI), se calculó el porcentaje de valores -3,-2,+2 y +3 a partir de los votos de percepción térmica del recinto por cada usuario. En cambio, la preferencia de los usuarios se obtuvo en función de cada valor entregado en la pregunta sobre aceptabilidad, contabilizando los resultados que expresan la preferencia por un ambiente más cálido o más fresco independiente del valor respondido, y sin tomar en cuenta la calidad del aire, como tampoco las personas que no le harían cambios a la temperatura.

Los datos ambientales registrados se encuentran den-tro de los límites que recomienda la norma UNE-EN ISO7730 para el uso de las ecuaciones de Fanger, con excepción del Edificio 9 (XI Región) donde se registra-ron valores de humedad relativa levemente mayores al 70% recomendado. Para efectos de este análisis, fueron consideradas geográficamente como zona nor-te las regiones II y III; como zona sur las regiones IX y X; y como zona extremo sur la XI Región.

6. Resultados

Los resultados de ambos métodos, es decir, los obteni-dos usando la ecuación de Fanger y los recogidos por las encuestas, se muestran a continuación:

T abla 2: Resultados y clasifi cación de los recintos durante el invierno de acuerdo a dos referencias internacionales. Los resultados PMV y PPI corresponden al promedio del día

EDIFICIOS REGIÓN USO PMV MV PPI PI ISO 7730 ASHRAE 55T°

OPERATIVAT°

EFECTIVA

MOP II OFICINA -0,3 -0,4 6,5 30 ACEPTABLE CLASE B 20,5 20,33

LABOCAR II OFICINA -0,5 -1,7 10,3 66,67 N/A CLASE C 20,5 19,1

AEROPUERTO III SERVICIO -0,6 -1,3 12,9 50 N/A CLASE C 19,8 17,9

MOP III OFICINA 0,0 0,7 5,0 33,3 ACEPTABLE CLASE A 20 21,25

RUCAMANKE IX ESCUELA -2,0 -2,0 76,2 71,4 N/A N/A 19,8 9,75

FCO VALDÉS IX ESCUELA -1,0 -0,7 25,7 12,5 N/A N/A 19,8 14,95

PDI X OFICINA 0,2 0,5 5,8 0 ACEPTABLE CLASE A 20 22,15

MOP X OFICINA -0,1 0,9 5,2 0 ACEPTABLE CLASE A 20,5 21,15

GABRIELA MISTRAL

XI ESCUELA -2,0 1,0 78,4 0 N/A N/A 20,5 11,7

TENIENTE MERINO

XI ESCUELA -1,1 0,4 30,2 60 N/A N/A 21,7 15,25

Fuente: elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.



7. Discusión

En general se obtuvo una diferencia entre el PMV y la aceptabilidad real del usuario MV (ver Tabla 1), ade-más de la tendencia de mejorar la percepción térmica durante la tarde (Las Figuras 1 y 2 se muestran como ejemplo).

Lo anterior podría tener su explicación en la adap-tación psicológica del sujeto al ambiente durante la mañana. Esta depende de las actividades que estén realizando las personas, la vestimenta, personalidad, experiencia previa y expectativas. La forma de adap-tación o climatización que tienen los usuarios viene dado por una respuesta de sí mismo para ajustar las variables del ambiente según sus preferencias y nive-les de confort, y se presentan en forma paralela a la respuesta fisiológica del cuerpo desencadenando en lo que se manifiesta como percepción y sensación térmica (de Dear, Brager, & Cooper, 1997, págs. 12-13). En el caso de los recintos educacionales, juega un rol fundamental el contexto social que se presenta, donde el comportamiento y libertad de adaptación se encuentran restringidos por los profesores y el resto de los alumnos de la sala.

Además, al mantenerse las mismas condiciones am-bientales durante un tiempo, se desencadenan proce-sos o mecanismos de adaptación del cuerpo humano. Estos procesos se diferencian en tres tipos (Yao, Li, & Liu, 2009): Adaptación debido a cambios en el comportamiento, adaptación de tipo fisiológica, y finalmente de tipo psicológica, los que en general

comienzan luego de 1 hora. El primero de estos, relacionado con el comportamiento, es posible de encontrar con mayor frecuencia en los 6 edificios de oficina y de servicio que en las escuelas, ya que las personas que en ellos trabajan cuentan con la liber-tad de modificar su conducta, manifestándose en acciones tales como cambiar la actividad metabólica (met), modificar la vestimenta (clo), o incluso ingerir alimentos o líquidos calientes, para así acomodarse a las condiciones ambientales del momento. Consciente o inconscientemente, el usuario realiza de esta forma cambios en las variables que dependen de ellos mismos para corregir la percepción térmica. Por otro lado, la adaptación de tipo fisiológica se presenta después de un tiempo estando en el mismo ambiente térmico, for-ma que tiene el cuerpo de reducir el estrés que este le provoca (Buratti & Ricciardi, 2009). Sin embargo, esto no es tan evidente en ambientes moderados, sino solo en edificios en donde las condiciones térmicas como temperatura y humedad relativa exterior e interior se presentan fuera de ciertos límites. Tal es el caso de los 6 edificios de las zonas sur y extremo sur, con temperaturas exteriores durante la mayor parte del año muy bajas, y en especial en las 4 escuelas, donde las actividades que ahí se desarrollan restringen el movimiento durante las clases, y lo obligan a tomar otras formas de adaptación. Finalmente, la adaptación psicológica depende de las expectativas y experiencia previa del sujeto respecto de los parámetros de confort y a las condiciones ambientales a las que está siendo sometido, por ejemplo, el acostumbrase a estar bajo ambientes climatizados artificialmente o a trabajar en recintos naturalmente ventilados. Esto es aplicable a

Figura 1: II Región – Edifi cio 1, invierno. Figura 2: IX Región – Edifi cio 6, invierno

Mañana Tarde Día

PMV MV

-0,7-0,9

-1,8

-1

-0,7 -0,7

PMV

-0,4

-0,8

-0,6

-0,3-0,3

-0,1

Mañana Tarde Día

MV

Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.




todos los edificios de oficinas y salas de clases, en que los usuarios permanecen durante prolongadas horas del día bajo las mismas condiciones ambientales.

A partir de diversos estudios de campo realizados con esta teoría (de Dear, Brager, & Cooper, 1997), se ha llegado a especificar una temperatura de neutralidad para cada edificio que se ha estudiado, según las condiciones ambientales, ocupantes y costumbres.

De acuerdo a los estándares establecidos en las normas y referencias internacionales, según los datos regis-trados en la época de invierno se obtuvo que de los 10 edificios estudiados, solo las escuelas presentaron condiciones térmicas que las hacen ser insuficientes y fuera de cualquier clase (ver Tabla 2).

Los resultados de la encuesta de satisfacción realizada a los usuarios muestran que en el 80% de los edificios existe una preferencia hacia los ambientes o condi-ciones más cálidos que los definidos por Fanger para la época de invierno. Esta diferencia entre las corres-pondientes temperaturas neutrales para un mínimo PI, produce un desplazamiento del “Neutro” (valor 0) en la escala de sensación térmica (MV) hacia la zona o

sector “Cálido” con promedio de +0,52 entre los 10 edificios, es decir, las personas prefieren climas más cálidos durante el invierno. A pesar de esto, 6 edificios durante la mañana consideraron térmicamente neutral el ambiente y no le realizarían cambios.

En los edificios de oficinas, incluido el edificio de ser-vicio, el valor calculado de PMV es menor (absoluto) al MV arrojado por las encuestas, es decir, las personas encuestadas sienten en realidad mayor incomodidad por la temperatura presente, ya sea mayor calor o frío, que lo predeterminado según la ecuación de Fanger, al contrario de lo que ocurre con las escuelas medidas (ver como ejemplo la Figura 1 Figura 2).

La variable temperatura de la ecuación de Fanger se muestra como de suma importancia y afecta en consi-deración al momento de diseñar y evaluar los recintos, ya que al ir aumentando la diferencia de temperatura entre la T° efectiva y la T° operativa (ideal para la vestimenta y actividades que realizan) la clasificación empeora (ver últimas dos columnas de la Tabla 2), y en los 3 edificios en que esta diferencia es positiva el nivel de confort térmico es de los mejores, obteniendo clase A según la ASHRAE 55. El promedio de la diferencia en

Figura 3: Voto Medio Previsto (PMV) de los 10 recintos durante las mediciones de invierno. No existe una tendencia por disminuir el PMV de Norte a Sur del país

II Región III Región IX Región X Región XI Región1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PMV

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

-2,5EDIFICIO EN INVIERNO

MañanaTardePromedia día

Clase AClase BClase C

0,6

00,2

-0,1

-1-1,1

-2 -2

-0,5-0,3

Fuente: elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.



Figura 4: Porcentaje de Personas Insatisfechas (PPI) de los 10 recintos durante las mediciones de invierno

EDIFICIO EN INVIERNO

II Región III Región IX Región X Región XI Región

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10



PP [%

]

80,0

60,0

40,0

20,0

0,0

25,70

76,20 78,40

30,20

5,805,00 5,20

12,9010,30

6,50

Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO. N° 09 CN 14-5706

F igura 5: Diagrama bioclimático ubicando los 10 recintos estudiados durante la época de invierno con zona de confort de Givoni. Los cuatro recintos más alejados de la zona de confort (5, 6, 9 y 10) corresponden a los 4 establecimientos

educacionales estudiados

Carta bioclimática de Givoni - invierno

Confort veranoConfort inviernoEdifi cios

-5 0 5 10 15 20 25 30 35

10

94

32

1

7658

Temperatura (Cº)

Hum

edad

abs

olut

a (g

/kg

aire

sec

o)

25

20

15

10

5

0





Figura 6: Voto Medio Previsto (PMV) de los 10 recintos a partir de las mediciones de verano. Destacan los edifi cios del sur, donde se mantienen las condiciones durante todo el año

PMV

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0-1,7

-1,2

II III IX X XI1 2 3 4 5 6 7 8 9 10



EDIFICIOS

-1,4

-0,3-0,1

-0,5

0,30,2

0,80,6


Figura 7: Porcentaje de Personas Insatisfechas (PPI) de los 10 recintos a partir del PMV. Los límites del 10% de PPI en 7 de los 10 edifi cios

PPI [

%]

60,0

40,0

20,0

0,0

II III IX X XI1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

EDIFICIOS

18,80

Mañana Tarde PPD Promedio

Clase A Clase B Clase C

12,40

5,50 7,1010,20

5,40 6,40

33,60

48,10

61,60




estos edificios clase A es de +1,35°C, correlacionán-dose con la preferencia generalizada de los usuarios por ambientes más cálidos que los considerados por Fanger (PMV=0) en sus estudios.

Destacan los resultados de los edificios escuelas. Estos arrojaron los más bajos valores de PMV, lo que se co-rrelaciona con las condiciones ambientales presentes. Se registró una diferencia entre la temperatura efectiva y temperatura operativa en el lugar entre los -5,4°C y -10,4 °C, lo que hace evidente la incomodidad de los alumnos, respondiendo al nivel de aceptabilidad (sensación térmica) con el valor de MV= -1.7, el más bajo de los 10 edificios, y porcentaje de insatisfacción del 71,4%. En estas condiciones ninguna escuela cum-ple con los estándares internacionales indicados por la norma ISO7730 como tampoco en ninguna clase de la ASHRAE 55 para esta época del año.

Los edificios que presentaron una diferencia de tem-peratura negativa, es decir, bajo la óptima, fueron clasificados según la norma ISO7730 como inacep-table, y según la referencia ASHRAE 55 es de clase C, lo que continúa demostrando la preferencia hacia temperaturas más altas que bajas.

Finalmente, la aceptabilidad real (MV) en los edificios Clase A también es mayor que 0, indicando además su preferencia por aumentar la temperatura interior.

A continuación se presentan los resultados de PMV y PPI de los 10 recintos estudiados y su clasificación según la norma ASHRAE 55.

Correlacionando los resultados de las mediciones, la clasificación de estos según las normas, y zona de confort de Givoni en el ábaco psicométrico, se puede observar que los 4 recintos dentro de la Zona de Con-fort (ZC) son clase A o B según la norma ASHRAE 55 y clasifican como Aceptables según la norma ISO7730. Además, los recintos 2 y 3 más cercanos a la ZC de invierno son clasificados como clase C, y la norma ISO los clasifica como insuficientes.

8. Conclusiones

A través de la encuesta de satisfacción aplicada se pudo recoger información relacionada a la real percep-ción del ambiente térmico de cada uno de los usuarios

de los recintos y a los cambios que ellos les harían según sus preferencias, respuestas que varían de una persona a otra. Por otro lado, gracias a las mediciones realizadas durante las campañas de invierno y verano, fueron calculados los índices PMV y PPI para todos los recintos, resultados que fueron contrastados con los de las encuestas. Fue importante establecer que existe una tendencia generalizada, en todos los edificios es-tudiados para época de invierno, a preferir temperatu-ras más altas que las establecidas como temperaturas operativas neutrales según la vestimenta y actividades que se están desarrollando, y a percibir el ambiente más frío de lo que objetivamente es obtenido con las ecuaciones de Fanger. Es decir, a los usuarios de estos edificios, salvo algunas excepciones, no les gusta sen-tirse neutrales en el ambiente de trabajo, que para las referencias ASHRAE 55 y UNE-EN ISO 7730 es el valor PMV=0, sino con una tendencia hacia un ambiente más cálido (PMV=+0,52). Se demuestra, además, que los usuarios de estos recintos, tanto en oficinas como salas de clases, mejoran su confort térmico durante la tarde, y se acercan a los valores calculados con las mediciones realizadas. La zona de confort de Givoni representada en el gráfico ábaco psicométrico es un buen acercamiento de la percepción que tienen las personas del ambiente térmico durante el día (valores promedio).

Ninguna escuela cumple con los estándares inter-nacionales indicados por la norma ISO7730 como tampoco en ninguna clase de la ASHRAE 55 para la época de invierno, y no se logra el confort de los usuarios debido principalmente a las bajas tempera-turas interiores.

Las referencias citadas son una buena herramienta para tener un primer análisis sobre el confort térmico de estos edificios independiente del sistema de cale-facción y ventilación que presenten. Sin embargo, se debe tener en cuenta la preferencia de los usuarios, que depende tanto de las actividades que realizan, costumbres y hábitos, haciendo variar la temperatura de confort levemente.

Futuros estudios ahondarán en la relación entre la temperatura interior, el confort térmico de los usuarios y el consumo de energía para un recinto específico, teniendo como objetivo disminuir el gasto en calefac-ción o enfriamiento de los edificios.




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Este artículo se realiza con parte de los resultados del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.



Research of adobe

heritage buildings

by traffi c vibration

Investigación de las vibraciones por tráfi co en las construcciones patrimoniales de adobe

Autores

MORÁN PROAÑO, M. Pontificia Universidad Católica del Ecuador,té[email protected], Ecuador

ÁLVAREZ RODRÍGUEZ, O. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,[email protected] Habana, Cuba





páginas: 39 - 53[ Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O. ]

Resumen Para investigar sobre la respuesta diná-mica ofrecida por los muros de mam-postería de adobe en las construcciones antiguas solicitadas por tráfico vehicu-lar pesado, se tomó como muestra a varias edificaciones representativas de esta tipología constructiva, localizadas en la calle Juan Jaramillo de Cuenca, Ecuador. En los inmuebles de la muestra se obtuvieron registros acelerográficos ocasionados por el tráfico vehicular; al respecto, debe considerarse que en la actualidad, los muros están integrados por segmentos de muro, discretizados y fisurados por la acción sísmica. La inter-pretación de los resultados dinámicos fue discutida en función de la importan-

cia y de los principios conservacionistas del patrimonio cultural, así como de los valores máximos admisibles de res-puesta, establecidos en las normativas internacionales. En torno al resultado de la investigación: los comentarios enfatizan sobre el comportamiento es-tructural de los muros agrietados de mampostería de tierra sometidos a mi-crovibraciones; las conclusiones, por su parte, sintetizan los efectos de las vibraciones ambientales que el tráfico vehicular ocasiona en la estabilidad y degradación muraría. Se concluye sugi-riendo algunas recomendaciones para la protección del patrimonio construido en mampostería de tierra.

Palabras clave: Tipología constructiva, patrimonial, respuesta dinámica, micro vibraciones, fisuración.

Abstract Based on the traditional constructive typologies of a existing street of Cuenca (Cultural Heritage), a representative of the buildings sample was selected her i tage bu i ld ings of adobe and adobón masonry; for the dynamic study response of the buildings to heavy traffic vehicular.

T h o s e b u i l d i n g s o f t h e s a m p l e obtained recorded acelerogramas of dynamic behaviour of response by the traffic, whereas in seismic areas the adobe masonry systems are shaped by segments of cracking wall by the material failure. The interpretation of

the results of the dynamic response measurements was made for ‘segments wal ls ` as representat ive of system walls in adobe masonry; and finally technique discussed depending on the permissible maximum values in some international regulations. Some comments emphasizes the structural behaviour of adobe masonry and criteria of stability and degradation and are highlighted in the conclusions by the environmental microtremors for vehicular traffic, the article ends with some recommendations for the protection of the heritage built in adobe masonry.

Keywords: Constructive type, heritage, dynamic response, Microtremors, Cracking wall.


páginas: 39 - 53 [ 41 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O. ]

Introducción

Al considerarse que la preservación del Patrimonio Cultural edificado en mampostería de tierra es una responsabilidad universal del hombre, se desarrolló una investigación para determinar el grado de afec-tación que las vibraciones ambientales por tráfico vehicular podrían causar en esta tipología constructiva. La muestra, fueron edificaciones del Centro Históri-co de Cuenca (Ecuador), localizadas en la calle Juan Jaramillo, considerada como arteria principal para la movilidad vehicular.

Como conclusión, el estudio enfatiza sobre las for-mas de respuesta dinámica de los muros fisurados de las construcciones patrimoniales de tierra, e incluye algunas recomendaciones en torno a las técnicas más adecuadas para mitigar el impacto señalado en las construcciones existentes, según lo determinan las normativas internacionales para vibraciones ambien-tales producidas por el tráfico vehicular.

Objetivos

• Probar, de manera científica y objetiva, si existen o no afectaciones y daños en los muros de las edi-ficaciones patrimoniales de mampostería de tierra (adobe, adobón), causadas por el tráfico vehicular

• Plantear, si fuera el caso, posibles soluciones y recomendaciones para mitigar el impacto.

1. Lineamientos adoptados para el estudio

Para alcanzar el objetivo del estu dio se planteó un enfoque metodológico específico, basado en tres lineamientos:

1.1. Defi nición y selección de la muestra para el estudio

Para la selección de la muestra se consideraron los siguientes factores:

• El material predominante en la construcción. Se seleccionaron edificaciones de mamposterías de adobe y adobón con entrepisos y cubierta de estructuras de madera, cuyo estado de conserva-ción aseguraba una acción de arrostramiento con los muros.

• El estado de degradación y/o fisuración de los muros y de los sistemas de entrepiso y cubier-ta; se consideraron y observaron los daños por la actividad sísmica, las intervenciones inconsultas y/o las afectaciones por asentamientos y despla-zamientos del suelo de cimentación1.

• Las observaciones cualitativas de la degra-dación y fisuración se realizaron en los muros interiores y exteriores donde eran visibles pues, por lo general, estas se encuentran ocultas por las acciones de mantenimiento superficial.

1.2. Instrumentación de las construcciones seleccionadas

La instrumentación se realizó para obtener registros acelerográficos sobre la respuesta dinámica del suelo y los muros por causa del tráfico vehicular. La locali-zación de los sensores de movimiento (acelerógrafos) en los muros, fue seleccionada para que los resultados faciliten la interpretación de la respuesta dinámica de las dos componentes horizontales del movimiento.

1.3. Interpretación y análisis de los resultados dinámicos

El estudio de los espectros permitió establecer los valores de la amplificación de respuesta (aceleración, desplazamiento) de los muros de tierra de las cons-trucciones.

La comparación entre los rangos de magnitud y los niveles de serviciabilidad determinados por las Nor-mativas Internacionales para vibraciones ambientales2, permitió establecer los rangos de aceptabilidad o afectación de las vibraciones por el tráfico vehicular en las edificaciones de mampostería de tierra.

Gracias a los lineamientos metodológicos descritos, se obtuvo información suficiente para establecer si el tráfico causó o no, algún tipo de afectación o degra-dación en las edificaciones similares a la de la muestra en la calle de estudio.

1 Cuenca está situada en un área sismogénica activa dentro del Cinturón de Fuego de Pacífico, volcanismo y tectonismo.

2 Norma ISO 6897, Norma ISO 2631, ISO 2631 – 77, Norma DIN 4150 (part. 3).




2. Tipología de las edifi caciones en el sitio de estudio

Ubicación del sitio: La calle Juan Jaramillo, localizada en el Centro Histórico de la ciudad de Cuenca, es cali-ficada como de alto tráfico vehicular en una longitud de 800 m (11 cuadras). La mayoría de sus casas son antiguas construcciones de tierra, de tipología clásica, de una y dos plantas. Otras, son edificaciones mixtas de adobe-ladrillo, y las últimas de hormigón armado de tres y cuatro pisos.

Fig. 1: Localización de la calle Juan Jaramillo en Cuenca, Ecuador

2.1. Estado actual y patología de las edifi caciones de mampostería de tierra (adobe)

En la mayoría de casos, las plantas bajas de las casas existentes han sido intervenidas y adecuadas para uso comercial, reservándose los pisos altos para residencias y oficinas.

Las edificaciones construidas con mampostería de adobe y adobón presentan trazas de agrietamientos y lesiones típicas del material, causados por la acción sísmica y por asentamientos del suelo de cimentación.

Otras patologías observadas que desestabilizaron los sistemas murarios tradicionales, pueden atribuirse a readaptaciones no adecuadas para cambios de uso.

Pocas edificaciones, como el caso del Hotel Príncipe, por ejemplo, conservan sus formas tradicionales gra-cias a un buen mantenimiento. Otras, abandonadas y carentes de cuidado, son una amenaza para moradores y transeúntes, por el acelerado envejecimiento de los sistemas estabilizantes de entrepiso y cubierta.

Fig. 2: Hotel Príncipe, casa de adobe y ladrillo en buen estado

Fig. 3: Casas en regular estado, abiertas al comercio en planta baja



3. Selección de la muestra para el estudio

Para el estudio, se escogieron a seis edificaciones anti-guas en mampostería de tierra que son representativas de las construcciones patrimoniales más vulnerables de la calle seleccionada. Esta muestra permitió establecer de qué manera el tráfico vehicular actual, puede o no puede influir en la preservación del patrimonio edifi-cado y en la seguridad de los usuarios.

Los criterios de selección de la muestra se describen a continuación:

3.1. Selección de la muestra por la tipología constructiva

Se identificaron y seleccionaron construcciones con predominio de muros de mampostería de tierra (adobe) y mamposterías mixtas de adobe y ladrillo, así como aquellas que por su arquitectura fueron calificadas como antiguas y patrimoniales.

Para la selección se consideró, además, al estado actual de conservación y de respeto a las tipologías propias de la construcción en tierra, sintetizadas en las formas tradicionales y en los detalles arquitectónicos.

3.2. Selección por el estado actual de degradación muraria

Este parámetro de selección es la aplicabilidad de la “calificación cualitativa de estado actual”3 de fisu-ración y degradación de los muros de mamposterías de tierra, producidos por sismos, asentamientos del suelo, e intervenciones inadecuadas; considerándose la hipótesis que los agrietamientos individualizan segmentos de muro y cuya respuesta dinámica a las microvibraciones del tráfico vehicular, es el objetivo del estudio.

Un ejemplo de evaluación muraria por la calificación cualitativa de estado actual, se encuentra en el Anexo 1.

3 La calificación cualitativa del estado actual de las edifica-ciones de adobe, fue realizada mediante el uso de formu-larios desarrollados por M. Morán (1989), en función de la observación sistemática de los daños murarios por sismo y degradaciones de los elementos estructurales de protección muraria.

4. Estudio del comportamiento dinámico de los muros patrimoniales de

adobe por tráfi co vehicular

4.1. Antecedentes

Los muros agrietados de las edificaciones antiguas de tierra (adobe, ladrillo, adobón), evidencian la vulne-rabilidad sísmica de esta tipología constructiva, y la fragilidad del material (adobe), cuyo resultado es la discretización de los muros en segmentos independien-tes, arrostrados entre sí por los sistemas de entrepisos de madera y la viga solera de cubierta.

Los muros discretizados constituyen una nueva forma de estructura muraria cuyo comportamiento diná-mico no ha sido científicamente definido. En este estudio se trata de medir y definir la respuesta a las vibraciones de cada segmento4 en el estado actual de discretización.

En este contexto de muro agrietado, la forma ar-quitectónica (geometría) de la trama muraria de las edificaciones no influye en la respuesta dinámica del conjunto. Como ya se señaló, el comportamiento de los muros discretizados a las solicitaciones dinámicas es referido a un elemento independiente del muro.

En consecuencia, los registros de las mediciones de frecuencias y desplazamientos en muros patrimoniales (antiguos) de tierra, son interpretados como la res-puesta dinámica de un segmento de muro limitado por dos fisuras contiguas, “unido”5 a los sistemas externos de arrostramiento (entrepiso y cubierta).

4.2. Estudio de los parámetros dinámicos para edifi caciones en tierra

Los modelos matemáticos, desarrollados para estructu-ras de materiales elásticos, no son aplicables para definir el comportamiento estructural de los segmentos indi-vidualizados de los muros de adobe, adobón y ladrillo.

Para esta investigación las mediciones de la respuesta dinámica por tráfico vehicular de los sistemas murarios

4 Morán M., Memorias del Seminario Taller, Reforzamiento Estructural en las Edif icaciones Patr imoniales , 2003, Municipio del Distrito Metropolitana de Quito, Fondo de Salvamento del Patrimonio Cultural.

5 “unido” = mecanismos de apoyo y arrostramiento de los entrepisos y cubierta a los muros de mampostería de adobe.




de mampostería de adobe, se realizaron por instru-mentación de sensores de movimiento colocados en los muros a diferentes alturas (uno a nivel del suelo, y otro en el entrepiso), que registraron los principales indicadores dinámicos tales como: el período predo-minante, la aceleración, la velocidad y los desplaza-mientos, que fueron aceptados como la respuesta de un segmento de muro discretizado.

La comparación de los resultados (espectros de res-puesta) entre los sensores localizados a nivel del suelo, con los obtenidos a nivel de entrepiso, permitió cono-cer la amplificación de la respuesta de los parámetros dinámicos.

4.2.1. Marco teórico para el estudio por microvibraciones

La técnica de la Relación Espectral Hs/Vs de Nakamura (1989), (Ver Anexo 4) es aplicable a micro vibraciones (micro sismos) producidos por el tráfico vehicular, pues permite obtener un registro aceptable y confiable de la respuesta dinámica de los muros agrietados y el período de los estratos superficiales de los suelos blan-dos, por eliminación de los efectos de fuente. Para el estudio en la calle J. Jaramillo, se aplicó los principios de la relación espectral Hs/Vs de Nakamura (1989), y las recomendaciones de Pierre (1998) relacionadas con la técnica de Relación Espectral H/V.6

4.2.2. Análisis de las microvibraciones en la muestra

Para el análisis los principales parámetros dinámicos (período, aceleración, velocidad, desplazamiento) se realizó un estudio estadístico considerando que las señales por tráfico vehicular son aleatorias y estacio-narias para los siguientes parámetros:

a) Amplitud máxima. Este parámetro se definió como la amplitud máxima pico (+) o (-) de los desplazamientos ocasionados por una señal dada, dentro del rango de 1.0 a 10.0 micrones.

b) Frecuencia dominante de vibración. Para el tráfico vehicular la frecuencia de vibración del suelo fue analizada, tomando en cuenta que esta es una señal aleatoria por el efecto de la distancia

6 García, E. 2008. Informe del Estudio de Vibraciones por Tráfico Vehicular, “Obtención de los Parámetros Dinámicos de la Edificaciones Solicitadas por el Ing. Mario Morán”, Cuenca, agosto de 2008

variable de la fuente (vehículo), donde las ondas de alta frecuencia (período corto) no son atenua-das significativamente, como sucede en el caso de fuentes estacionarias7. Cuando la respuesta del suelo es excitada por una señal aleatoria (tráfico vehicular), ofrece variaciones significativas, a la par que idénticas en todos los demás aspectos. Por esta razón, el concepto de “frecuencia dominante de vibración” se utilizó para determinar la respuesta máxima cuando es excitada por diferentes frecuen-cias.

c) Velocidad máxima de partículas8 (v). Es uno de los parámetros que mejor se correlaciona con el comportamiento de las edificaciones en tierra. Para la determinación de la velocidad de partícu-la, se consideró a los registros de aceleración que contengan una señal armónica con la aplicación de las siguientes relaciones de aproximación entre los valores máximos de los desplazamientos, velocida-des y aceleraciones:

u = v/ω = a/ω2; de donde: v = a/ω

u = Amplitud máxima del desplazamiento; v = amplitud máxima de la velocidad; a = ampli-tud máxima de aceleración; w = frecuencia de vibración (rad/s)

v = Velocidad máxima de partícula

d) Espectros de respuesta del suelo. La respuesta de un cuerpo (estructura) tiene diferentes modos de vibración asociados a cada frecuencia. Si se selecciona una señal específica de entrada cuya frecuencia coincida con su par del modo corres-pondiente, el modo de vibración para la frecuencia más alta, se denomina período o frecuencia funda-mental de vibración.

Al excitar un muro de mampostería de tierra con una señal de frecuencias aleatorias (tráfico vehicular), se obtiene una respuesta que es fruto de la contribución de los diferentes factores de ponderación de cada uno de los modos de vibración. Los factores de pondera-ción son constantes para cada estructura y dependen de su período fundamental. Así, un segmento de muro entre dos fisuraciones contiguas, es un cuerpo de un grado de libertad, definido por la rigidez (K) y

7 Las altas frecuencias (período corto) se filtran en la superficie, atenuándose con la distancia, mientras que las ondas de baja frecuencia se mantienen inalterables.

8 La velocidad de partículas es diferente a la velocidad de propagación de la onda.



la masa (M), cuyo período de vibración fundamental no amortiguado (T) está dado por:

Τ= 2 π/ω= 2π (M/K)1/2

Si el proceso se repite modificando el período de vi-bración natural del cuerpo mediante variaciones de (K) y/o (M), dejando las demás variables no modificadas, se obtiene un gráfico que relaciona los valores del período (T) con la máxima respuesta en términos de aceleraciones, velocidades y desplazamientos. Dichos gráficos son los Espectros de Respuesta para un coefi-ciente de amortiguamiento dado.

Para el presente trabajo, se eliminó las frecuencias que no interesan al estudio (frecuencias bajas < 0.1 Hz) y, sobre la base de los registros de aceleraciones, por integración se obtuvo las velocidades y desplaza-mientos de cada punto de un muro instrumentado; finalmente, se determinó el espectro de amplitud de la señal original, como un indicador de amplificaciones del movimiento en función de la frecuencia, para la respuesta dinámica de un muro de mampostería de tierra excitada por el tráfico vehicular9.

9 En el Anexo 2, se presenta las especificaciones del equipo utilizado para las mediciones y las recomendaciones obser-vadas en el proceso.

5. Obtención de registros acelerográfi cos

5.1. Instrumentación de los muros:

En las edificación de la muestra se instrumentó los siguientes muros: de fachada, posterior (paralelo al de fachada), e intermedio normal al de fachada10 con sensores en dos niveles: uno, en el piso de planta baja, y otros, a nivel del entrepiso. Adicionalmente, se instrumentó un punto de referencia a nivel del suelo para obtener lecturas sin ruido (sin tráfico).

5.2. Resultados de las mediciones dinámicas por tráfi co vehicular en las edifi caciones de la muestra

Las amplificaciones de la respuesta de los muros, tanto en el plano del muro, como fuera de él se resumen de la Tabla 211 y son referidas a la frecuencia fundamental promedio y a la amplificación (ganancia) de acuerdo con la ubicación de los muros con respecto a calle, o a la fuente de vibración (tráfico vehicular).

10 La localización de los sensores se presentan esquemática-mente en la Tabla 1.

11 El resumen de la Tabla 2. fue tomado de: García, E. 2008. Informe del Estudio de Vibraciones por Tráfico Vehicular, “Obtención de los Parámetros Dinámicos de la Edificaciones Solicitadas por el Ing. Mario Morán”, Cuenca, agosto de 2008.

Tabla 1. Esquema de ubicación de sensores

Localización P. Baja P. Alta Localización

1 Muro de fachada (X-X) •

2 Muro lateral (Y-Y) •

3 Muro posterior (X-X) •

4 Muro de fachada (X-X) •

5 Muro lateral (Y-Y) •

6 Muro posterior (X-X) •

7 Punto de referencia • PLANTA ELEVACIÓN




Tabla 2. Resumen de resultados de Frecuencias (f) y Ganancias (Amplif.)

MuestraMuro frontal Muro lateral Muro posterior

f (Hz) T (seg) Amplif. f (Hz) T (seg) Amplif. f (Hz) T (seg) Amplif.

1 Flia. Tenorio Carpio 1,56 0,64 4,00 4,01 0,25 1,10 1,28 0,78 1,40

2 Imprenta León 6,78 0,15 2,50 0,41 2,46 2,25 1,18 0,85 6,00

3 Sra. Maruja Vega 3,09 0,32 7,00 0,93 1,08 17,50 3,12 0,32 4,00

4 Hotel Príncipe 0,60 1,68 9,50 5,95 0,17 1,90 5,80 0,17 4,00

8 Flia. Orqueda 1,41 0,71 3,50 0,80 1,25 2,60 1,34 0,75 2,50

6 Colecc. Jorge Moscoso 6,70 0,15 3,00 3,70 0,27 2,20

14 Sra. María Moscoso 4,65 0,22 1,70 2,27 0,44 1,30 2,84 0,35 1,00

Nota: La muestra No. 14 de la Sra. María Moscoso, corresponde a una edificación similar a las de la muestra pero sin afectaciones de tráfico.

Tabla 3. Resumen de Aceleración (a), Velocidad (v) y Desplazamiento (e)

MuestraValores máximos Valores promedio

a (cm/s2) v (cm/s) e (cm) a (cm/s2) v (cm/s) e (cm)

1 Casa Flia. Tenorio Carpio

Planta baja 0,099 0,025 0,010 0,079 0,010 0,004

Planta alta 0,155 0,003 0,002 0,087 0,002 0,001

2 Casa Imprenta León

Planta baja 0,062 0,002 0,001 1,573 0,105 0,040

Planta alta 4,685 0,314 0,119 0,096 0,003 0,001

3 Casa Sra. Maruja Vega

Planta baja 0,024 0,001 0,000 0,033 0,001 0,000

Planta alta 0,145 0,046 0,023 0,071 0,016 0,008

4 Casa Hotel Príncipe

Planta baja 0,020 0,004 0,001 0,057 0,002 0,000

Planta alta 0,169 0,005 0,001 0,160 0,003 0,000

6 Casa Jorge Moscoso

Planta baja 0,037 0,002 0,000 0,024 0,001 0,000

Planta alta 0,126 0,005 0,002 0,087 0,003 0,001

8 Casa Flia. Orquera

Planta baja 0,577 0,010 0,007 0,087 0,004 0,003

Planta alta 0,022 0,001 0,002 0,059 0,002 0,001

Nota: Un ejemplo detallado de los resultados de las mediciones se presenta en la Tabla 1 del Anexo 3, correspondiente a la muestra No. 8: propiedad de la familia Orquera.



5.3. Discusión de los resultados

Los resultados de las Tablas 2 y 3, evidencian que en un muro segmentado o discretizado de mampostería de tierra, la variación de la frecuencia entre las secciones próximas al suelo y las del entrepiso alto, depende de la intensidad del movimiento, la frecuencia predomi-nante del suelo, la frecuencia fundamental del muro, la masa del segmento discretizado y la rigidez de los sistemas de entrepiso y cubierta. En este contexto, los desplazamientos y aceleraciones de respuesta a las microvibraciones del tráfico vehicular permanecen en rangos pequeños que no ejercen influencia alguna en la interacción suelo-muro12, debido a que no inducen cambios en las condiciones de apoyo del muro sobre la cimentación, minimizando así el efecto del suelo en la respuesta dinámica.

Los resultados de la Tabla 3, son valores máximos es-pectrales detectados en los muros de las plantas baja y alta. La importancia de estos parámetros está vincu-lada con la respuesta de un muro ante una frecuencia determinada en términos de velocidades de partículas, aceleraciones y desplazamientos.

Conclusiones preliminares:

– Los resultados de la Tabla 2 son consistentes con lo citado ya que señalan amplificaciones de la frecuencia entre 2.5 a 3.5, para vibraciones fuera del plano en muros frontales (paralelos a la vía), y amplificaciones menores de 1.1 a 2.6 en el plano de muros laterales (normales a la vía), se evidencia así una mayor rigidez y menores desplazamientos en el plano del muro.

– Las amplificaciones (fuera del plano) de 1.4 a 4.0 en el muro posterior, son comparables con las del muro frontal (2.5 a 3.5), se concluye entonces que los dos muros, paralelos entre sí, tienen un comportamiento similar. La amplificación de 6.0 para el muro posterior de la muestra No. 2, es considerada como la respues-ta atípica, correspondiente a una sección pequeña de muro o a la presencia de algún problema de ruido (interferencia) suscitado durante el ensayo.

– Los resultados de la Tabla 313, fueron analizados y discutidos con los parámetros normativos interna-

12 Sarria, Alberto, Ingeniería Sísmica , Ediciones Unidas, Universidad de los Andes, Bogotá, D.E., Colombia, 1990.

13 Para el análisis se eliminó las frecuencias de los resultados de las muestras No. 3 y 4 para el muro frontal y el resultado de

cionales de serviciabilidad y seguridad, que juzgan el impacto causado por el tráfico vehicular en las edificaciones de la muestra.

6. Interpretación de los resultados dinámicos de respuesta

6.1. Límites normativos para la respuesta dinámica

Para determinar la serviciabilidad de una construcción de material elástico, las normas y literatura disponible14 se refieren a los parámetros de aceleración y de veloci-dad; mientras que las construcciones de mampostería de tierra, por su lado, para la serviciabilidad y seguridad de la edificación incorporan los parámetros de mag-nitud de desplazamiento y de velocidad de partícula, debido a las características inelásticas del material.

Tabla 4. Valores máximos de aceleración horizontal para frecuencias 0,063<f>1,000 (Norma ISO 6897)

Frecuencia HzPeríodo (s)

Aceleración (m/s2)

Umbral de Percepción

Mínimo Permisible labores críticas

0.063 (15.87) 0.0815 0.489

0.080 (12.50) 0.0735 0.441

0.100 (10.00) 0.0670 0.402

0.125 (8.00) 0.0610 0.366

0.160 (6.25) 0.0550 0.330

0.200 (5.00) 0.0500 0.300

0.250 (4.00) 0.0460 0.276

0.315 (3.17) 0.0418 0.250

0.400 (2.50) 0.0379 0.228

0.500 (2.00) 0.0345 0.207

0.630 (1.57) 0.0315 0.189

0.800 (1.25) 0.0285 0.171

1.000 (1.00) 0.0260 0.156

la muestra No. 3 para el muro lateral por encontrarse fuera de rango.

14 Norma ISO 6897, Norma ISO 2631, ISO 2631 – 77, Norma DIN 4150 (part. 3).




6.1.1. (Norma ISO 6897)

Esta Norma establece los valores máximos aceptables de aceleración para un movimiento horizontal de baja frecuencia, entre 0,063 Hz y 1,0 Hz, en edificios de propósitos generales (Ver Tabla 4).

Aceleraciones mayores a los valores indicados, oca-sionarán cierto riesgo para los ocupantes. Los límites señalados son el umbral de percepción de los usuarios. Para trabajos que requieran de precisión manual, los valores máximos de la Tabla 4, deberán multiplicarse por un factor de 6. Las tareas que se ubiquen por sobre estos valores, serán de difícil desempeño.

Tabla 5. Valores máximos de Aceleración para frecuencias 1.0< f >80.0 Hz

(Norma ISO 6897)

Frecuencia(Hz) Período (s)

az (m/sg2)(Vertical)

ax- ay (m/sg2)(Horizontal)

1.00 (1.00) 5.60 2.00

1.25 (0.80) 5.00 2.00

1.60 (0.625) 4.50 2.00

2.00 (0.500) 4.00 2.00

2.50 (0.40) 3.55 3.15

3.15 (0.32) 3.15 4.00

4.00 (0.25) 2.80 4.50

5.00 (0.20) 2.80 5.00

6.30 (0.16) 2.80 6.30

8.00 (0.125) 2.80 6.00

10.00 (0.100) 3.55 10.00

12.50 (0.080) 4.50 12.50

16.00 (0.062) 5.60 16.00

20.00 (0.050) 7.10 20.00

25.00 (0.040) 9.00 25.00

31.50 (0.032) 11.20 31.50

40.00 (0.025) 14.00 40.00

50.00 (0.020) 18.00 50.00

63.00 (0.016) 22.40 63.00

80.00 (0.012) 28.00 80.00

6.1.2. Norma ISO 2631

La Norma determina los valores máximos de acele-ración de confortabilidad en tres ejes x, y, z15, para vibraciones entre 1.0 Hz y 80.0 Hz.

Los valores de la Tabla 5 son el umbral de confortabi-lidad; frente a valores mayores, las personas podrían sentirse indispuestas.

Frente a una vibración de tiempo de exposición muy corto, para frecuencias fuera del rango de máxima sensitividad (entre 4 y 6 Hz para az; y, entre 1-2 Hz para ax y ay), una persona no sentirá movimientos bruscos hasta la acereración límite de 10.0m/s2 (1.0g); para valores mayores, la persona “saltaría”.

Tabla 6. Desplazamiento máximo

Norma Desplazam. mm

ISO 2631–77 Desplazamiento máximo para sensibilidad humana

3 - 5 mm

6.1.3. Norma ISO 2631-77

Esta Norma establece una limitación al desplazamien-to, entre 3mm y 5mm, para controlar aspectos de la sensibilidad humana y afectaciones en materiales anelásticos.

Tabla 7. Valores referenciales para máxima velocidad Velocidad (mm/s)

Tipo de Edificación(Velocidad máxima de partículas)

Velocidad mm/s

Edificaciones antiguas en mal estado 25 mm/s

Edif. en muy mal estado de construcción 12 mm/s

Edificios con estructura de madera y paredes de mampostería.

12 mm/s

Edificaciones muy sensibles a vibraciones 8 mm/s

Velocidad máx. para control de daños 50 mm/s

15 El sistema de coordenadas está referenciado de la siguiente manera: x al frente, y lateral, z vertical



6.1.4. Otras referencias:

Los criterios relacionados con la velocidad máxima de partícula para evitar daños en las edificaciones, se transcriben en la Tabla 7. La velocidad de 50 mm/s es adoptada como un límite superior para evitar daños en las construcciones elásticas.

6.1.5. Norma DIN 4150 (parte 3)

Esta Norma establece los valores máximos de velocidad de partículas, para diferentes frecuencias de la onda y tipos de edificación con el fin de evitar daños en las construcciones.

Valores que superen a los máximos establecidos pue-den generar daños visibles en los elementos murarios; estos límites se señalan en la Tabla 8.

Tabla 8. Valores Máximos de Velocidad (mm/s) según DIN 4150 Velocidad (mm/s)

Tipo de edificación

Frecuencia

< 10 Hz 10-50Hz 50-100 Hz

Comercial e industrial

20 mm/s 20-40 mm/s 40-50 mm/s

Viviendas y edificios

5 mm/s 5-15 mm/s 15-20 mm/s

Estructuras delicadas, sensibles a la vibración

3 mm/s 3-8 mm/s 8-10 mm/s

6.2 Estudio comparativo entre los parámetros dinámicos normativos y los obtenidos en la muestra

De acuerdo con el objetivo del estudio, se discutió los resultados en las mediciones de la muestra con los sugeridos por las normativas, para establecer los criterios sobre la vulnerabilidad de las edificaciones de mampostería de tierra, frente a las microvibracio-nes producidas por el tráfico vehicular de la calle J. Jaramillo.

Tabla 9. Cuadro comparativo de aceleraciones

Muestra #Muro frontal

Frecuenc. (Hz)Aceler. H (cm/seg2)

Aceler.V (cm/seg2)

Norma aplicada

Acel.máx (cm/seg2)

Calif.

01 Pb Flia.Tenorio 9.46 0.016 0.033 ISO 2631 280 Cumple

Pa 9.53 0.124 0.142 ISO 2631 280 Cumple

02 Pb Imprenta León 7.938 0.062 0.028 ISO 2631 280 Cumple

Pa 7.823 4.685 4.685 ISO 2631 280 Cumple

03 Pb M. Vega 3.999 0.013 0.211 ISO 2631 280 Cumple

Pa 3.112 0.055 0.022 ISO 2631 280 Cumple

04 Pb H. Príncipe 3.439 0.020 0.061 ISO 2631 280 Cumple

Pa 0.718 0.141 0.285 ISO 6897 18.9 Cumple

06 Pb J. Moscoso 7.707 0.037 0.029 ISO 2631 280 Cumple

Pa 0.718 0.050 0.045 ISO 6897 18.9 Cumple

08 Pb Flia. Orquera 4.375 0.577 0.146 ISO 2631 280 Cumple

Pa 3.656 0.022 0.110 ISO 2631 280 Cumple




Tabla 10. Cuadro comparativo de velocidades

Muestra #Muro Frontal Frecuenc. (Hz)

Velocidad (cm/seg)

Norma aplicada

Veloc. máx (cm/seg)

Calif.

01 Pb Flia. Tenorio 9.46 0.002 DIN4150 0.30 Cumple

Pa 9.53 0.003 OTRAS 0.80 Cumple

02 Pb Imprenta León 7.938 0.002 DIN4150 0.30 Cumple


03 Pb M. Vega 3.999 0.001 DIN4150 0.30 Cumple


04 Pb H. Príncipe 3.439 0.004 DIN4150 0.30 Cumple


06 Pb J. Moscoso 7.707 0.002 DIN4150 0.30 Cumple


08 Pb Flia. Orquera 4.375 0.009 DIN4150 0.30 Cumple


Tabla 11. Cuadro comparativo de desplazamientos

Muestra #Muro Frontal

Frecuencia. (Hz)Desplaz. (cm)

Norma aplicada

Desplaz. máx. (cm)

Calif.

01 Pb Flia. Tenorio 9.46 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 9.53 0.001 IS0 2631 0.300 Cumple

02 Pb Imprenta León 7.938 0.001 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 7.823 0.119 IS0 2631 0.300 Cumple

03 Pb M. Vega 3.999 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 3.112 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple

04 Pb H. Principe 3.439 0.001 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 0.718 0.001 IS0 2631 0.300 Cumple

06 Pb J. Moscoso 7.707 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 0.718 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple

08 Pb Flia. Orquera 4.375 0.001 IS0 2631 0.300 Cumple

Pa 3.656 0.000 IS0 2631 0.300 Cumple



6.3. Discusión de resultados

La discusión técnica se fundamentó en los parámetros medidos en el muro frontal de fachada, elemento con-siderado como el más significativo por los resultados de respuesta obtenidos y el aspecto urbanístico de las edificaciones patrimoniales que son sensibles a las afectaciones por agrietamientos.

6.3.1. Discusión de la Tabla Comparativa de Aceleraciones (Tabla 9)

Los valores de aceleraciones tomados de ISO 2631 y de ISO 6897 en función de la frecuencia, correspon-den a aceleraciones límite del umbral de percepción de una persona. Aceleraciones mayores a los valores indicados podrían ocasionar molestias a los usuarios. Estos valores máximos de aceleración, comparados con los obtenidos en la muestra, son muy superiores a las aceleraciones medidas demostrándose así que el tráfico vehicular no causa malestar alguno a los beneficiarios.

6.3.2. Discusión de la Tabla Comparativa de Velocidades (Tabla 10)

En consideración de la tipología de la construcción (antigua patrimonial) y al material (adobe) en las edi-ficaciones de la muestra, se seleccionaron los valores de velocidades de DIN 4150 y de otras referencias, como la velocidad límite para frecuencia < 10 Hz, sobre la cual podrían producirse daños en los muros. Los valores de velocidad límite adoptados resultan ser muy superiores si son comparados con las velocidades medidas en la muestra; demostrándose de esta mane-ra, que las vibraciones por tráfico vehicular no podrían ser causantes de tipo alguno de degradación a los sistemas murarios de las edificaciones patrimoniales.

6.3.3. Discusión del Cuadro Comparativo de Desplazamientos (Tabla 11)

El valor del desplazamiento de ISO 2631-77, corres-ponde a un desplazamiento límite de percepción hu-mana; desplazamientos mayores ocasionarán molestias a los usuarios. El valor límite (ISO 2631-77) para el desplazamiento es superior al rango de los desplaza-mientos obtenidos en la muestra, demostrando que el tráfico vehicular no será causa de molestias a los usuarios.

7. Conclusiones

A continuación, se presentan las conclusiones de la investigación sobre las vibraciones por tráfico en las construcciones patrimoniales de adobe.

7.1. La selección de la muestra para el estudio, sobre la base de criterios del material adobe, del estado de conservación y de la tipología arquitectónica, permitió disponer de la información necesaria para lograr el objetivo.

7.2. El concepto de muro discretizado, integrado por segmentos de muros independientes entre sí, hizo posible el análisis dinámico de los muros en su estado actual de agrietamiento16 prescindiéndose así de la trama muraria y facilitando la comprensión de la respuesta dinámica de los muros de mampos-tería de tierra de las construcciones tradicionales patrimoniales, solicitadas por microvibraciones del tráfico vehicular.

7.3. Los parámetros dinámicos fueron validados por los resultados del análisis estadístico de la respuesta dinámica a las microvibraciones por el tráfico vehi-cular17 en función del estado actual de fisuración de los muros.

7.4. El Acápite 6.3, ‘Discución de resultados’, per-mitió calificar el comportamiento estructural de respuesta de los muros patrimoniales discretizados de mampostería de tierra, como “muros no vulne-rables a las vibraciones ambientales producidas por el tráfico vehicular”.

7.5. Los resultados de la valoración del estado actual de las edificaciones de la muestra, fueron cualitati-vamente confrontados con los valores investigados de la respuesta dinámica a las microvibraciones por tráfico vehicular. Este estudio comparativo concluyó en los siguientes puntos:

Primero: El estado actual de fisuración muraria y los daños menores observados en las mampos-terías, son atribuibles, principalmente, a causas sísmicas pasadas y al comportamiento reológico del material.

16 Los sismos son los causantes de los agrietamientos que discretizan los muros de mampostería de tierra, estructu-ralmente los agrietamientos en los muros no significa una desestabilización de la edificación,

17 Ver: Tablas 2 y 3, de resumen de resultados y Anexo 2 equipo utilizado.




Segundo: Además de los sismos, se atribuye como principales causas degradantes de las edificaciones de mampostería de adobe a los siguientes factores:

– Falta de mantenimiento e intervenciones inadecuadas de consolidación,

– Asentamientos diferenciales del suelo de fundación ocasionados por las malas prác-ticas constructivas en la realización de exca-vaciones y sobrecargas por cambios de uso.

– Readecuaciones inapropiadas de las mam-posterías y uso de materiales modernos no compatibles con la construcción en tierra.

8. Recomendaciones generales

Para mejorar la preservación del patrimonio cultural, la seguridad de los usuarios y la movilidad vehicular, se recomienda aplicar las siguientes acciones:

8.1. Desarrollar incentivos para que los propietarios de los inmuebles patrimoniales implementen acciones adecuadas de preservación, mantenimiento y con-servación del patrimonio construido; y, establecer mecanismos de control de las autoridades encar-gadas de la conservación patrimonial, para garan-tizar la bondad y aplicabilidad de los materiales y sistemas resistentes a ser utilizados en las inter-venciones de remodelación y adecuación sísmica.

8.2. Precautelar la seguridad de los usuarios y tran-seúntes ante la amenaza del posible colapso de las edificaciones en mal estado por causa del abando-no o falta de mantenimiento.

Bibliografía

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Yves Bard, P., Microtremor Measurement: A Tool for Site Effect Estimation, Second International Symposium on the Effects of Surface Geology on Seismic Motion – ESG98-, 1998, Japan.

Kazuyoshi, K. Practical Estimates of Site Response State-Art Report. 1995, Niza, Italia.

Lachet, Corinne and Yves Bard, Pierre, Numerical and Theoretical Investigations on the Possibilities and Limitations of Nakamura’s Technique, 1994. “Francia.

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Mucciarelli, M., Reliability and Applicability of Nakamura’s Technique Using Microtremors: An Experimental Approach, 1998, ISMES, Italia.

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Anexo 1

Tabla 1. Muestra del levantamiento del estado actual de la casa de la familia Orquera en la calle Juan Jaramillo

CALLE JUAN JARAMILLOCUENCAECUADOR

EVALUACIÓN CUALITATIVAESTRUCTURAL DEL ESTADO ACTUALMARIO MORÁN P. INGENIERÍA CIA. LTDA.

CASA No.Flia.Orquera 7-59/61FECHA: 28/5/2008

1.- IDENTIFICACIÓNSECTOR: SurOTROS : Muro de fachadaCRUJIA : SurNIVEL : Pisos 1 y 22.- MATERIALES

AD

OBE

LAD

RILL

O

MIX

TO

PIED

RA

BAH

ARE

QU

E

MA

DER

A

FORJ

AD

O

MIX

TO

BOVE

DA

ARC

O

CIMIENTOS x MUROS PB x x MUROS PA x x ENTREPISO N X CUBIERTA X 3. DEGRADACIÓN MURARIA G

VALOR MÁXIMO CALIF.3.1- IDENTIFICACIÓN DE DAÑOS

Fisuración GRAVE/12 MODERADO/6 LIGERO/3 12 12Desprendimientos de enlucidos GRAVE/12 MODERADO/6 LIGERO/3 12 12Desplomes GRAVE/6 MODERADO/3 LIGERO/2 6 6

30 30 3.2- DAÑOS POR HUMEDAD Por capilaridad GRAVE/10 MODERADO/5 LIGERO/2 10 2 Humedad GRAVE/10 MODERADO/5 LIGERO/2 10 2 Por malas instalaciones GRAVE/5 MODERADO/3 LIGERO/1 5 - 25 4 3.3- DAÑOS POR FALTA DE MANTENIMIENTO Desprendimiento de enlucidos GRAVE/5 MODERADO/2 LIGERO/1 5 5 Falta de reparaciones GRAVE/2 MODERADO/1 LIGERO/0 2 1 Intervenciones inadecuadas GRAVE/3 MODERADO/2 LIGERO/1 3 1

10 74.- ESTADO DE PROTECCIÓN SÍSMICA 4.1- SISTEMAS ESTABILIZANTES PRIMARIOS Estructura de cubierta BUENO/0 REGULAR/3 MALO/6 6 3 Estructura de entrepiso BUENO/0 REGULAR/3 MALO/6 6 3 Estructura muraria BUENO/0 REGULAR/6 MALO/13 13 6

25 12 4.2- SISTEMAS ESTABILIZANTES SECUNDARIOS Muros secundarios BUENO/0 REGULAR/3 MALO/5 5 3 Reforzamientos BUENO/0 REGULAR/3 MALO/5 5 - 10 3

TOTAL 100 56



Simplifi ed calculations of

slenderness limit in U.L.S.

Of instability: interaction

diagrams according to the

instruction EHE-08

Simplifi cación en los cálculos de esbeltez límite en E.L.U. De inestabilidad: diagramas de interacción según la instrucción EHE-08

Autores

SERRANO-LÓPEZ, R. Universidad de Burgos,[email protected], España

GÓMEZ-SÁEZ, J. Universidad de Burgos,[email protected], España

ORTEGA-LÓPEZ, V. Universidad de Burgos,[email protected], España

MANSO-VILLALAÍN, J. Universidad de Burgos,[email protected], España




páginas: 54 - 60 [ 55 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M. ]

Resumen La introducción de la norma EHE-08 ha llevado consigo varios cambios, tanto conceptuales como paramétricos, en diferentes aspectos de su articulado. Este artículo busca ofrecer una ayuda al proyectista de hormigón, facilitándole los cálculos previos a la comprobación del Estado Límite de Inestabilidad. Se realiza una introducción al significado

del límite inferior de esbeltez (incluyen-do las propuestas de la ACI-318, el EC-2 y MC-90), para inmediatamente ofrecer una herramienta de aplicación directa que permita su obtención en el caso de la vigente Instrucción de hormigón estructural. Por otra parte, se expone también la formulación para comprobar secciones de soportes armados.

Palabras clave: Pandeo, esbeltez, norma EHE.

Abstract Recent EHE-08 code has introduced many changes, both conceptual and parametric, in different aspects of its requirements. This paper seeks to offer support to the concrete designer, enabling pre-test calculations of the instability limit state. Beginning with an introduction to the meaning of the

lower limit of slenderness (including ACI-318, EC-2 and MC-90 proposals), to immediately provide an application tool that allows obtaining direct in the case of the current Instruction of Structural Concrete. Moreover, it is also exposed the formulation to test reinforced column sections.

Keywords: Buckling, slenderness, EHE code.



páginas: 54 - 60[ Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M. ]

1. Introducción

Entre los diversos cambios establecidos en el arti-culado de la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08), se introducen diferentes novedades en cuanto a las propias características del hormigón (re-sistencias, diagrama tensión-deformación, coeficiente de cansancio…), la propuesta de nuevos materiales y tecnologías (fibras, áridos ligeros, hormigones au-tocompactantes), la revisión de los conceptos de durabilidad, o los nuevos criterios de sostenibilidad. Dentro de las variaciones referentes a los Estados Límite Últimos (E.L.U.), se propone una formulación específica que modifica, complicándolo ligeramente, el procedimiento matemático necesario para estable-cer los rangos de uso de los métodos de cálculo frente a inestabilidad (pandeo).

En la fig. 1 se incluye un resumen de los conceptos más importantes a tener en cuenta en el estudio de los fenómenos de segundo orden, a los cuales se hará constante referencia durante el resto de apartados del artículo.

Las normativas de cálculo, en general (Corres y Al-saadi, 1987), utilizan uno o varios parámetros para establecer el método (simplificado o más complejo) con el que debe de abordarse un determinado proble-ma de posible inestabilidad. En particular, la EHE-08 exige analizar previamente si la esbeltez mecánica (λm) asociada al elemento a comprobar queda por encima o por debajo de una determinada esbeltez límite (λlím), como criterio para discernir la necesidad de realizar la comprobación a pandeo, fig. 2.

La expresión indicada en la norma española requiere, por tanto, realizar una serie de cálculos intermedios para conocer si debemos o no realizar la mencionada comprobación. Con objeto de simplificar la labor del proyectista de estructuras, simplificando estos pasos intermedios para la obtención de la esbeltez límite, en el presente artículo se presenta de manera justificada, una serie de herramientas de tipo gráfico (ábacos) que permiten:

– discriminar la posibilidad de despreciar los efectos de segundo orden en una determinada estructura;

– ajustar las dimensiones de la sección para conse-guirlo; o bien

– comprobar si, en un soporte armado, se cumplen las condiciones necesarias de esbeltez máxima.

Y todo ello, eliminando cualquier tipo de operación intermedia, simplemente apoyándose en las propias variables definidas de forma estricta en la Instrucción y a través de unos sencillos juegos de diagramas.

2. Los límites de esbeltez en las normativas de hormigón armado

Tal como se ha apuntado anteriormente, las diferentes normativas internacionales de hormigón introducen sus propios criterios para establecer el ámbito de apli-cación de los métodos de cálculo (de menor a mayor complejidad). Una constante en todas ellas es el uso del concepto de esbeltez (inicialmente la geométrica, y actualmente la mecánica) como variable más adecuada para conocer la influencia de los posibles efectos de segundo orden en una determinada estructura.

En general, se establece una pareja de valores límite de esbeltez (comúnmente denominados inferior y su-perior respectivamente). Para el caso del límite inferior (λlím), si bien las normas antiguas (Gutiérrez, Jiménez, Recuero, Río y del Río, 1988) (Corres, Alsaadi y León, 1986) adoptaban un valor fijo buscando la simplicidad de aplicación (EH-82, EH-91, EHE-98, MC-78, BS-8110-97), los códigos e instrucciones modernos los hacen depender de otros parámetros que permiten ajustarlo a la particularidad de cada problema (Río y Morán, 1986) (Cortés, Bonet y Romero, 2011): axil reducido, excen-tricidad relativa, relación entre momentos extremos…

Las diferentes formulaciones normativas relacionan estos parámetros con el criterio, internacionalmente consen-suado (Marí y Hellesland, 2005), de acotar la pérdida de capacidad resistente, fig. 3, definiéndola bien sea en función de una valor de axil constante, o bien haciendo invariable la excentricidad (Río y Morán, 1986) (Bonet, Goberna, Fernández y Miguel, 2001). En la Tabla 1 se recogen las expresiones y criterios utilizados en la norma española, americana, el eurocódigo y el código modelo.

En lo relativo a la Instrucción Española, ha sufrido un notable cambio respecto a la versión de 1998, en la cual el límite de esbeltez adoptaba en todo caso el valor constante de 35. La introducción de la nueva formulación permite evitar ciertas singularidades que proporcionaban resultados del lado de la inseguridad (Morán, 1992) (Maristany, 1997), pero exige a cambio un esfuerzo al proyectista mediante una serie de cálculos intermedios para justificar el método a utilizar.

3. Discusión de los valores límite asociados a λlím en EHE-08

3.1. Introducción

Conocida la expresión promulgada en el apartado 43.1.2 de la Instrucción (tal como se indica en la Tabla 1), pueden establecerse las siguientes conside-raciones a efectos de simplificación para su estudio parametrizado:



(Ec. 1)

(Ec. 2)

Para el caso más sencillo de cálculo, el traslacional (donde e1/e2=1 ⇒ C =0), resulta interesante discutir los dominios de definición de la ecuación en función de los diferentes parámetros, con objeto de acotar sus valores límite. En este caso, la ecuación (Ec. 2) se simplifica de la siguiente manera:

(Ec. 3)

Para los objetivos del artículo, se analiza únicamente el caso de armadura simétrica a dos caras en el plano de pandeo (C=0,24), pudiéndose establecerse el mismo procedimiento para el resto de casos.

3.2. Valores posibles de e2/h

En el Artículo 42.2.1 de la EHE se incide en la necesi-dad de adoptar una excentricidad mínima, que habrá de cumplir el valor de e2:

(Ec. 4)

De lo anterior puede deducirse que, para cumplir las dos limitaciones normativas de forma simultánea, existe una cota superior de B = 4,8. Entonces si B ≤ 4,8 ⇒ D ≤ 5,8: es decir, que también existe una cota superior de D. Además se puede deducir que cuando B disminuye indefinidamente (esto es, e2/h → ∞), el valor de D tiende a la unidad de manera asintótica. Luego D es una función que depende de e2/h, acotada en el intervalo [1;5,8].

3.3. Valores posibles de ν

Atendiendo a la propia definición del axil reducido, y para una determinada sección de hormigón armado, puede señalarse que:

(Ec. 5)

Según estos valores, pueden establecerse los posibles valores de A = 0,24/ν:

(Ec. 6)




Por lo que se observa que A es una función acotada en el intervalo [0,12;∞).

3.4. Combinación de análisis para el cálculo de λlím

Si tenemos en cuenta lo descrito en los dos epígrafes anteriores, E = A•D no puede crecer indefinidamente ni adoptar un valor nulo, ya que A ∈[0,12;∞) y D ∈[1;5,8]. La función E podrá, por tanto adoptar cual-quier valor incluido en el intervalo (0;∞):

a) Con D =5,8 y A =0,12 (ν=2) ⇒ E =0,834.

b) Tomando como contante el valor de A =0,12 y va-riando D en su dominio de definición, E adoptará diferentes valores hasta el límite correspondiente con D =1. En este caso, E valdrá 0,346.

c) Tomando como constante el valor de D =5,8 y comprobando las posibilidades de A >0,12 (ν<2), se deduce directamente que E ≥0,834 de forma particular.

d) Igualmente, tomando como constante el valor de D =1, puede deducirse que E ≥0,346.

e) Finalmente, existe un valor l ímite superior de esbeltez (apartado 43.2.1.2 EHE-08), de va-lor constante λ l ím= l00. En este extremo, D E =(λ lím/35)2=(100/35)2=8,1632. Entonces E = A•D =8,1632, luego con λ= l00, fig (4):

– Para D =5,8 ⇒ A =1,40 ⇒ ν=0,24/1,4=0,17– Para D =68,03 ⇒ A =0,12 ⇒ ν=2– Para D =1 ⇒ A =8,1632 ⇒ ν=0,24/8,16=0,029

3.5.- Valores límite para otras disposiciones de armado

Tal como ya se ha señalado, con la misma operativa descrita en los apartado 3.1 a 3.4, pueden deducirse los dominios de definición de cada uno de los pará-metros A y D para los tres casos de disposición de armado indicados en la normativa, obteniéndose los siguientes resultados enumerados en la Tabla 2.

4. Herramienta de apoyo al cálculo: diagramas de interacción

Establecidos los límites del problema, se proponen a continuación una serie de gráficas de doble entrada (Axil reducido- Excentricidad relativa), que permiten

cuantificar de forma directa el límite de esbeltez adop-tado en la EHE-08, para los tres casos de disposición de armado indicados anteriormente. Se disponen en este trabajo tres diagramas de interacción corres-pondientes a los casos traslacionales. No obstante, se pueden consultar “en línea” un completo juego de diagramas que establecen varias posibilidades de elementos de tipo intraslacional (consultar apartado de ejemplos). En todos ellos se ha adoptado como criterio de partida para el Axil reducido un incremento de valor 0,1 hasta el valor habitualmente adoptado por la bibliografía en este tipo de herramientas (ν= 1,8). No obstante, de su estudio particular se observa una clara tendencia asintónica a partir de ciertos valores de ν, por lo cual se han escogido en cada caso los valores más significativos y útiles, tal como se comprueba en las fig. 5, 6 y 7.

De igual manera, y con objeto de completar el trabajo y ofrecer al proyectista una nueva aplicación práctica, se ha tenido en cuenta también el comentario de la Comisión Permanente del Hormigón al artículo 43.1.2. En este, se incluye la expresión (Ec. 7) que ajusta el valor de λlím cuando se conoce la cuantía de armado de la sección (es decir, para el caso de elementos completamente dimensionados, en los que se pretende conocer la necesidad de tener en cuenta los efectos de segundo orden en una situación específica). Para ello hace intervenir dos nuevos coeficientes A y B:

(Ec. 7)

Donde ω es la cuantía mecánica total de armado del soporte; e1 y e2 son las excentricidades de primer or-den; h el canto en la dirección de pandeo (tal como se recoge en la Tabla 1); y los coeficientes A y B dependen de la forma de repartir la cuantía ω, según se exponen en la Tabla 3.

Se propone, finalmente, una solución “en línea” para poder realizar esta comprobación de forma directa, a través de las variables de entrada propias de la fórmula (Ec. 7), y para las diferentes posiciones de armado con-sideradas. Puede consultarse el siguiente enlace para realizar este tipo de verificación: http://www.ubu.es/es/depingciv/areas/area-mecanica-medios-continuos-teoria-estructuras/investigacion/esbeltez.



5. Ejemplo de aplicación práctica

5.1. Estimación rápida de λlím

Se propone como caso de aplicación un pilar en una estructura traslacional, de manera que pueden apro-vecharse los datos aportados en los diagramas del epígrafe anterior. Considérese que se ha calculado el factor de longitud de pandeo, α=1,2, y que la longitud de la columna es de 3 m.

Los esfuerzos de cálculo son un axil Nd=200 kN y unos flectores extremos Md2=30 kN·m y Md1=20 kN·m, que se traducen en una excentricidad máxima de primer orden e2=0,15 (debe de tenerse en cuenta que este valor cumple con la excentricidad mínima exigida por la EHE). Se propone una sección de hormigón armado cuadrada de 30 cm de lado, con la cuantía de acero repartida de forma homogénea en las cuatro caras, con un hormigón de resistencia característica fck= 25 MPa.

Para estos datos de partida, y utilizando un coefi-ciente de minoración de resistencia de 1,5 según la propia EHE, pueden aplicarse las fórmulas recogidas en la fig. 2. Se obtiene en este caso que el valor de la esbeltez asociada a la pieza es λ=41,6, que el axil reducido vale ν=0,133, y que la excentricidad relati-va vale e2/h=0,5. Para saber si debemos de realizar la comprobación a pandeo, tenemos que calcular el valor de λ lím. Para ello, se accede en el diagrama de interacción correspondiente a un coeficiente C=0,2, obteniendo una rápida estimación (lo suficientemente precisa) de este límite.

Como se observa en la fig. 8, puede aproximarse a un valor de λlím≅52.

Comparando el valor de nuestra esbeltez, observamos que λ= 41.6< λ lím≅52, por lo que no es necesario realizar la comprobación de este pilar en E.L.U. de inestabilidad.

5.2. Tanteo de secciones para cumplir λlím

Si para un pilar similar al anterior en el que en una pri-mera estimación, los esfuerzos de cálculo son Nd=300 kN, Md2=30 kN·m y Md1=20 kN·m, queremos conocer las dimensiones mínimas que debemos dotar a la sec-ción para no comprobar a pandeo, podemos utilizar estos mismos diagramas de interacción para realizar tanteos de aproximación. Se propone en primer lugar una sección cuadrada de 25 cm de lado; en este caso, para las longitudes y materiales anteriormente des-critos, obtenemos que: λ=49,9, ν=0,29, y e2/h=0,4.

Entonces, según se expone en la fig. 9, puede aproxi-marse una esbeltez límite de 37. Como λ > λlím, sería necesario comprobar según el método aproximado de la instrucción. Esta comprobación puede evitarse aumentando las dimensiones de la sección, por ejem-plo, en 5 cm por lado; en este caso: λ=41,6 (igual que en el apartado 4.1), ν=0,2, y e2/h=0,33. Utilizando el diagrama adimensional puede comprobarse que, fig. 9, un valor lo suficientemente preciso del límite es λlím≅46. De esta manera, cambiando la geometría del pilar, debemos recalcular la estructura en primer orden, conocer la variación posible de los esfuerzos Nd y Md, y volver a comprobar nuevamente si estamos dentro de los valores de esbeltez permitidos.

6. Conclusiones

En este trabajo se ha revisado de forma pormenorizada el nuevo criterio de esbeltez límite preconizado por la vigente Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 (λlím). Se ha partido de una introducción básica al problema de inestabilidad, incluyendo la metodología generalmente señalada en las diferentes normativas internacionales, y comprobando cómo cada una de ellas utiliza diferentes expresiones para establecer los ámbitos de aplicación de los posibles métodos de cálculo (primer orden, aproximado o segundo orden), quedando patente el consenso general de introducir la esbeltez como sistema más adecuado para ello, por su influencia y relación directa con la susceptibilidad al pandeo de un determinado elemento estructural.

Partiendo de la formulación de la norma española para λlím, se comprueba un salto conceptual entre la EHE-98 (en la que este límite adoptaba un valor constante de 35 en todos los casos) y la nueva versión de la Instrucción. Estos cambios en el articulado suponen al proyectista de estructuras de hormigón la ejecución de una serie de cálculos intermedios para discernir la necesidad de realizar la comprobación en E.L.U. de inestabilidad, complicando el antiguo procedimiento. El objetivo básico de este artículo era ofrecer al técnico una herramienta rápida que evitara la ejecución de estos pasos previos, proponiendo un sistema directo para conocer el valor de λlím a partir de las variables básicas involucradas en la expresión.

Se ha realizado de forma previa un estudio paramétrico de la ecuación, en aras de obtener los diferentes lími-tes que pueden definirse en función de las variables de entrada (axil reducido, excentricidades, forma y dimensiones de la sección, y disposición relativa de las armaduras). De esta manera se ha conseguido encontrar diferentes dominios de definición para cada uno de ellos, permitiendo posteriormente plasmar




de forma gráfica los resultados en forma de ábacos adimensionales. El trabajo se ha realizado tanto para estructuras de tipo traslacional (de formulación más sencilla) como para las de tipo intraslacional (en el que entran en juego todas las variables posibles).

En definitiva, se proponen tres de diagramas de inte-racción adimensionales, Axil reducido-Excentricidad relativa, para cualquier tipo de elemento traslacional (uno para cada posible disposición de armaduras habi-tuales). El juego de diagramas incorporado al artículo permite ilustrar de forma sintética las posibilidades de estas herramientas (simplemente aprovechando sencillez de la herramienta gráfica que se propone, e incluyendo ejemplos de aplicación). No obstante se ha realizado un juego completo de este tipo de dia-gramas para el caso intraslacional, variando la razón

e1/e2 entre sus límites en incrementos de valor 0,1. La disponibilidad de este material se realiza de forma libre desde la red, a través de enlace: http://www.ubu.es/es/depingciv/areas/area-mecanica-medios-continuos-teoria-estructuras/investigacion/esbeltez.

Por otra parte, la Comisión Permanente del Hormigón propone en sus comentarios un método para realizar la comprobación de elementos ya dimensionados y completamente armados. Esta posibilidad queda plasmada mediante una nueva expresión en la que se tienen en cuenta todas las variables anteriormente descritas junto a la propia cuantía de armado. Se ha completado el trabajo incluyendo un nuevo enlace de acceso “en línea”, facilitando la realización de este tipo de comprobaciones sin necesidad de realizar los cálculos señalados en la norma (en la misma dirección antes indicada).

7. Referencias

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CEB - Comité Euro-International du Béton (1993). CEB-FIP Model Code 1990 – Design Code. 2ª edición. Londres (Reino Unido): Thomas Telford Services Ltd.

CEN - European Committee for Standardization (2010). Eurocódigo 2: Proyecto de estructuras de hormigón. Parte 1-1: Reglas generales y Reglas para edifi cación. EN 1992-1-1:2010. Madrid: AENOR.

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CPH - Comisión Permanente del Hormigón (2009). Instrucción de Hormigón Estructural. EHE-08. 3ª edición. Madrid: Ministerio de Fomento. Centro de Publicaciones.

Gutiérrez Jiménez, J. P., Recuero Forniés, R., Río Suárez O .I., y del Río Bueno, A. (1988). Estado actual del cálculo de soportes y pórticos de hormigón armado. Hormigón y Acero, 168, p. 43-51.

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Morán-Cabré, F. (1992). Estados límites últimos (fl exión/compresión y pandeo). Hormigón y Acero. 182, p. 47-52.

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páginas: 55 - 60 d Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M. ]

Tabla 1: Límite inferior de esbeltez según normativa internacional

NORMA VARIABLES CRITERIO EXPRESIÓN λlím

EHE-08 (CPH, 2009)

e1/e2

e2/hCν

εM ≤ 0,1

ACI-318-11(ACI, 2011)

M1/M2 εN ≤ 0,05INTRASLACIONAL

TRASLACIONAL

EC-2 (CEN, 2010)

ϕef

ωM1/M2

ν

εM ≤ 0,1

MC CEB-FIB 90 (CEB, 1993)

e1/e2

νεM ≤ 0,1

INTRASLACIONAL

TRASLACIONAL

Donde:εM = Error por pérdida de capacidad resistente para axil constante

εN = Error por pérdida de capacidad resistente para excentricidad constante

e1/e2 = Relación de excentricidades de primer orden (|e1| < |e2|)e2/h = Excentricidad relativa al canto (h) de la piezaC = Coeficiente según la disposición de armaduras (C= 0,24; 0,20 ; ó 0,16)ν = Axil reducidoM1/M2 = Razón de momentos de primer ordenϕef = Coeficiente de fluenciaω = Cuantía mecánica de armado (As·fyd/Ac·fcd)

Tabla 2: Valores límite de los parámetros analizados en estructuras traslacionales

DISPOSICIÓN DE ARMADO C A D

Armadura simétrica a dos caras en el plano de flexión

As/2

As/2

0,24 [0,12;∞) [1;5,8]

Armadura a cuatro caras

As/4As/4

As/4As/4

0,20 [0,10;∞) [1;19,4]

Armadura simétrica a dos caras en los laterales

As/2

As/2

0,16 [0,08;∞) [1;19,4]

60 a ]

RevConsPUC-N22.indb aRevConsPUC-N22.indb a 08-11-12 18:1808-11-12 18:18

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Fig. 1: Nociones básicas en problemas de inestabilidad, según EHE-08

CONCEPTOS BÁSICOS EN PANDEO (EHE-08)

Longitud de Pandeo (I0): Tiene en cuenta la influencia de las condiciones de sustentación en los extremos de una barra, compa-rándola de forma relativa a la de una barra biapoyada, mediante la introducción del coeficiente α. Coincide con la distancia mínima entre puntos de inflexión de la deformada.

Razón de Excentricidades de 1er orden (e1/e2): Se define como el cociente entre la excentricidad de mayor de los momentos extremos (M2) y el opuesto (M1), de forma que M2 > M1 (y por tanto e2 > e1 ). Debe tenerse en cuenta, además, el signo de estas: adopta valor positivo en curvatura simple, y negativo para doble curvatura.

Esbeltez Geométrica (λg): Relaciona la longitud de pandeo con la dimensión de la sección en la dirección de cálculo.

Axil Reducido (ν = Ac • fcd

Nd

): Proporciona un dato adimensional sobre la intensidad de este esfuerzo en una sección.

Esbeltez Mecánica (λm o λ): Establece la relación entre la longitud de pandeo con el radio de giro (i = √ I/A) de la sección en la dirección considerada.

Además de estas, existen otras variables a tener en cuenta, como la propia traslacionalidad o intraslacionalidad de la estructura, así como la disposición relativa de las armaduras en la sección (coeficiente C).

l0 = α . l α = 1 α = 2 α = 0.7 α = 0.5

e1

e2

M1 M1

M2 M2

e1

e2> 0 < 0

Tabla 3: Valores de las constantes A y B

DISPOSICIÓN DE ARMADO A B

Armadura simétrica a dos caras en el plano de flexión

As/2

As/2

0,400,4ω + 0,12ω + 0,56

Armadura a cuatro caras

As/4As/4

As/4As/4

0,270,27ω + 0,120,93ω + 0,56

Armadura simétrica a dos caras en los laterales

As/2

As/2

0,140,14ω + 0,120,85 ω + 0,56

RevConsPUC-N22.indb bRevConsPUC-N22.indb b 08-11-12 18:1808-11-12 18:18

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Fig. 3: Criterios generales de evaluación de pérdida de capacidad portante Fig. 4: Valores límite de los parámetros (C=0,24)

Fig. 2: Síntesis del procedimiento en E.L.U. de Inestabilidad, según EHE-08

E.L.U. INESTABILIDAD (EHE -08)

Cálculo de λ

Cálculo de λlím

Datosl, α, Nd, Ac, fcd, e1, e2

IntraslacionalTraslacional

λ =α . ll0

i=√ I/A

λ < 100

λ < λlím λ > λlím

100 < λ < 200 λ > 200

Cálculo en 1er orden Método aproximado Método general Fuera de norma

λ = Esbeltez mecánicaν = Axil reducidoC = Coeficiente de disposición de armado = 0,24; 0,20 ó 0,16e1, e2 = Excentricidades en los extremosh = Canto en la dirección de análisis

ν = Ac • fcd

Nd

x P

δ

y

Cν

λlím = 35 1+ -1+ 3,40,24

100e1

e2

2

e2 h

RevConsPUC-N22.indb cRevConsPUC-N22.indb c 08-11-12 18:1808-11-12 18:18

Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012

páginas: 55 - 60 d[ Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M. ][ 60 d

Fig. 5: Diagrama de interacción, caso traslacional, C=0,24



Fig. 8: Estimación de λlím

Fig. 9: Tanteos de secciones para cumplir con λlím (con C=0,20)

RevConsPUC-N22.indb dRevConsPUC-N22.indb d 08-11-12 18:1808-11-12 18:18


Atmospheric corrosion map

of Chile: results after one

year of exposure

Mapa de corrosión atmosférica de Chile:resultados después de un año de exposición

Autores

VERA, R. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso,[email protected]íso, Chile

PUENTES, M. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso,Valparaíso, Chile

ARAYA, R. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso,Valparaíso, Chile

ROJAS, P. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso,Valparaíso, Chile

CARVAJAL, A. Pontificia Universidad Católica de ChileSantiago, Chile





páginas: 61 - 72[ Vera, R. et al. ]

Resumen La corrosión metálica es un problema que se intensifica con la exposición a determinadas atmósferas, disminuyendo la vida útil del metal o aleación, crean-do deficiencias operativas en las plan-tas industriales, provocando elevados costos de reparación, detenciones y/o reemplazos. En Chile existen marcadas diferencias geográficas, demográficas e industriales, lo que hace necesario elabo-rar mapas de agresividad ambiental y de corrosividad, cuya información permitirá la selección adecuada de los materiales a utilizar en distintos ambientes.

En este trabajo se presentan resultados obtenidos después de un año de elabo-ración de un mapa de corrosión y de agresividad ambiental a nivel nacional, en términos de velocidad de corrosión, tiempo de humidificación y contami-

nantes en 31 estaciones de estudio en Chile. Para el logro del objetivo, se ins-talaron 124 bastidores con muestras de acero al carbono, cobre, acero gal-vanizado y aluminio a lo largo del país preparadas según normas ISO 9223 a 9226. En las estaciones de ensayo se miden las variables meteorológicas de temperatura, humedad ambiental, agua caída, velocidad y dirección de los vien-tos y radiación solar y como contami-nantes contenido de cloruro y dióxido de azufre ambiental. La velocidad de corrosión de cada material se determinó por medidas de pérdida de masa.

Los resultados al año de exposición muestran variaciones que permitirán confeccionar modelos de comporta-miento que harán posible seleccionar el material más adecuado.

Palabras clave: Corrosión atmosférica, mapa de corrosión de Chile, acero al carbono, acero galvanizado, cobre y aluminio.

Abstract Metallic corrosion is a problem that is intensified by exposure to certain atmospheres, decreasing the life of the metal or alloy, creating operational ineff ic iencies in industr ia l p lants, resulting in high repair costs, arrests and / or replacements. In Chile there are marked geographic, demographic and industry, making i t necessary to produce maps of environmental aggress iveness and corros iveness, whose information wil l enable the proper selection of materials to be used in d i f fe ren t env i ronments .

In this paper presents results obtained after one year of developing a national map of corrosion and environmental aggressiveness, in terms of corrosion

rate, wetting time and contaminants in 31 study sites in Chile. To achieve the goal, 124 racks throughout the country were installed with samples of carbon steel, copper, galvanized steel and aluminum prepared according to ISO 9223 to 9226. In the testing stations meteorological variables of temperature, humidity, rainfall, speed and wind direction and solar radiation, chloride content as pollutants and sulfur dioxide environment were measured. The corrosion rate of each material was measured by mass loss measurements.

The results show a year of exposure variations that will make models of behavior that allow selecting the most suitable material.

Keywords: Atmospheric corrosion, corrosivity Chilean map, carbon steel, galvanized steel, copper, aluminium.


páginas: 61 - 72 [ 63 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Vera, R. et al. ]

1. Introducción

La corrosión atmosférica es un proceso por el cual los metales y aleaciones reaccionan con especies pre-sentes en el ambiente dando lugar a la formación de diversos tipos de productos de corrosión tales como óxidos, hidróxidos, sales, etc. Las características de los compuestos químicos formados desde el punto de vista de la adherencia, grado de compacticidad, insolubilidad y morfología inciden directamente en el grado de protección que puedan ofrecer al material (Morcillo y Feliú, 1993; Rosales, 1997; Santana, San-tana y González, 2003).

La acción de la atmósfera sobre los metales o alea-ciones constituye uno de los mayores problemas plan-teados por la corrosión. Las estadísticas dicen que más del 50% de las pérdidas por corrosión se deben a la corrosión atmosférica. De ahí la importancia de realizar estudios de corrosión atmosférica en Chile, país que se caracteriza por tener una diversidad de climas, por ser costero (contaminación de cloruro por aerosol marino) y por presentar en algunas zonas contaminación industrial por dióxido de azufre (SO2), gas que en presencia de humedad origina lluvia ácida.

Es sabido que para los responsables del diseño de sistemas de protección y mantención de estructuras metálicas expuestas a la atmósfera es muy necesario conocer el tiempo de vida útil de ellas y en este con-texto el presente trabajo se encuentra inserto dentro del Proyecto INNOVA-CORFO 09CN14-5879, período 2010-2014, “Construcción de mapas de corrosividad atmosférica de Chile para los metales y aleaciones de mayor interés tecnológico, que permitan seleccionar de manera óptima los materiales a utilizar en las dife-rentes zonas ambientales del país”.

El proyecto es de bien público y tiene como mandante a la Dirección de Obras Portuarias, como interesados a la Armada de Chile, el Ministerio del Medio Ambien-te, las empresas Puerto Ventanas y Galvanizadora B. Bosch, la Corporación de Desarrollo Tecnológico de la Cámara de Construcción y como oferente (encargado de traspasar los resultados al público) la Asociación Chilena de Corrosión.

La selección de los sitios de investigación del proyec-to se realizó desde la perspectiva de la variabilidad climática del territorio nacional, como también de la cercanía al mar y en algunos casos a zonas industriales. Se instalaron 31 estaciones de ensayo a lo largo de Chile, tal como se muestra su distribución en la Fig. 1 y que corresponden a los lugares de: Arica, Putre, Pampa del Tamarugal, Antofagasta, San Pedro de Atacama, Copiapó, Huasco, Coquimbo, Vicuña, Val-

paraíso, Quintero, Quilpué, Isla de Pascua, Curauma, Los Andes, Río Blanco, Casablanca, Santiago (PUC), Santiago (B. Bosch), Rancagua, Coronel, Laja, Temuco, Puerto Varas, Valdivia, Ensenada, Puerto Montt, Puerto Chacabuco, Coyhaique, Punta Arenas y Antártica. Los materiales en estudio fueron acero al carbono, cobre, acero galvanizado y aluminio.

Este proyecto considera entregar a la comunidad mapas de agresividad ambiental y de corrosividad, como tam-bién la proposición de especificaciones técnicas para el uso de materiales metálicos de construcción expuestos al medio ambiente. Se ha confeccionado una página web que se actualiza durante el desarrollo del proyecto.

2. Procedimiento experimental

La investigación ha comenzado en marzo del año 2010 y se realizará por un período de 3 años. En cada sitio se instalaron 4 bastidores confeccionados en acero galvanizado y cada uno de ellos contenía las respec-tivas muestras metálicas (acero al carbono, cobre, acero galvanizado y aluminio) de dimensiones 10 cm de ancho, 10 cm de largo y 0,4 cm de espesor, todas ellas expuestas en un ángulo de 45° en los bastidores y separadas por aisladores plásticos de acuerdo a las normas ISO 9223 a 9226. Paralelamente, en los sitios de estudio, se instalaron los dispositivos para medición bimensual del contenido de contaminantes de cloruro y dióxido de azufre ambiental (Fig. 2).

Adicionalmente en algunos lugares de estudio donde no se disponía de información meteorológica se ins-talaron estaciones meteorológicas para obtener los datos de temperatura, humedad ambiental, cantidad de agua caída, velocidad y dirección de los vientos. Los datos obtenidos mensualmente permitirán confeccio-nar las cartas de isotermas e isoyetas necesarias para la mejor comprensión de las condiciones meteorológicas locales y regionales las que servirán de base para la construcción de los mapas. Además, con los datos de temperatura y de humedad relativa se determinará mensualmente el tiempo de humidificación (TDH).

El deterioro de los materiales será evaluado cada 3 meses por medidas de pérdida de masa por triplicado (norma ASTM G50) y la morfología del ataque del metal por microscopía electrónica de barrido (MEB) utilizando un equipo JEOL 5410 asociado a un ana-lizador EDAX 9100 para caracterización elemental. Para la identificación de los productos de corrosión se utilizará la técnica de difracción de rayos X empleando un instrumento SIEMENS D 5000 con radiación a de CuK y monocromador de grafito 40KV/30mA con un rango de barrido de 0,5-70º.




3. Resultados y discusión

Las variables meteorológicas medidas fueron: tem-peratura, humedad relativa, cantidad total de lluvia caída y velocidad del viento. Los resultados prome-dios muestran diferencias notorias entre las distintas estaciones, donde el mayor valor de humedad (88%) y de temperatura (23°C) se presenta en Isla de Pascua y el menor valor de temperatura en las estaciones de Punta Arenas (5°C) y Antártica. La velocidad del viento alcanza un mayor valor en la estación de San Pedro de Atacama (22,5 m s-1) y la cantidad de lluvia caída mayor es la estación de Valdivia (1444,8 mm). La va-riación de humedad relativa y de temperatura influye en los cambios de tiempo de humidificación (tiempo que realmente el material se encuentra húmedo) en los distintos lugares, como por ejemplo, en Isla de Pascua (98,9%), Coquimbo (83,8%) y Putre (3,2%).

En la Fig. 3 se muestra la variación promedio del conte-nido ambiental de cloruro y de dióxido de azufre para cada estación. Se tienen lugares donde el contaminan-te principal es el cloruro, por su ubicación cercana a la costa chilena y hacia el interior (zonas cordilleranas) el contenido de ambos contaminantes es muy bajo (Los Andes, Vicuña, Laja). El mayor contenido de SO2 se alcanza en la estación de Coronel por estar instalada en el interior de una industria y en un menor grado la estación de Quintero, que se encuentra ubicada en área industrial, como también muy cercana al mar.

En la Fig. 4, aplicando tratamiento de datos por qui-miometría y empleando la norma ISO 9223 se presen-tan los contenidos promedios de deposición de cloruro (salinidad, S) y deposición de dióxido de azufre (P). En ella se observa que los lugares donde se encuentran las estaciones de Quintero, Arica, San Pedro de Atacama e Isla de Pascua son quienes tienen un mayor conte-nido de cloruro y les corresponde una clasificación de agresividad (S2). La estación de San Pedro de Atacama se encuentra a 2440 metros sobre el nivel del mar y 216000 metros alejada de la costa, y su mayor conte-nido de cloruro ambiental se debe a su cercanía a un salar en el norte de Chile. La estación de Coronel es la que presenta un mayor contenido de SO2 (P1). La estación con menor contaminación es la que se ubica en Laja que se encuentra cerca de la cordillera y en zona rural (S0, P0). La mayoría de las estaciones se encuentran en la clasificación S1, P0. Las variaciones entre los valores de cloruro obtenidos para distancias al mar similares dependen principalmente si el lugar se encuentra en altura, apantallado por edificios o la dirección de los vientos es hacia la costa. En la Fig. 5 se presentan los datos de velocidad de corrosión obtenidos para acero al carbono en función

del tiempo de exposición. En ella se observa en general que la velocidad de corrosión disminuye en el tiempo debido a la formación de películas de óxido de dife-rentes espesores que actúan como barrera frente al medio ambiente. Sin embargo, este comportamiento no se cumple en la estación de Quintero y además, los valores de velocidad de corrosión obtenidos a los diferentes meses de exposición para esta estación superan la clasificación de corrosión, C5. Estos resul-tados son concordantes con la clasificación de agre-sividad comentada en párrafos anteriores y también con trabajos realizados previamente por los autores (Vera, Rosales, Moriena, 1997; Vera, Delgado, Rosa-les, 2006; Vera, Delgado, Rosales, 2007). Dado que esta estación se encuentra localizada en el interior de una empresa almacenadora de distintos productos que posteriormente se embarcan a diferentes luga-res, entre ellos concentrado de cobre. Este material generalmente cubre las probetas expuestas y al tener un comportamiento catódico en comparación con el acero incrementa el proceso de corrosión aumentando los valores de velocidad de corrosión.

Al comparar las figuras 3 y 4 se nota que existe una relación positiva entre contenido de deposición de cloruro, de dióxido de azufre y velocidad de corrosión. Un incremento en cada una de estas variables genera un aumento en la velocidad de corrosión, consideran-do además, el tiempo de humidificación, la cantidad total de lluvia caída, que para la estación de Coronel es 900 mm, Valdivia de 1500 mm y Ensenada de 1300 mm. En esta figura también se observa que la velocidad de corrosión del acero en las estaciones de Arica, Isla de Pascua, Huasco, Antártica y Coronel al cabo de los primeros 3 meses de exposición es mayor que en el resto de las estaciones, excepto Quintero. Estos datos concuerdan con los obtenidos al clasificar la agresividad ambiental de cada lugar.

En forma general en la mayoría de las estaciones para el acero se encontraron como productos de corrosión mezclas de Fe2O3, Fe3O4, FeS y presencia de SiO2 pro-veniente de polvo del lugar.

Por otra parte, en la Fig. 6 A, B y C se muestra la morfología del producto de corrosión del acero en las estaciones de Isla de Pascua, Putre y Huasco al año de exposición, respectivamente. Es notoria la poca can-tidad de producto de corrosión presente sobre acero en la estación de Putre lo que es concordante con la velocidad de corrosión obtenida (alrededor de 10 µm año-1) y con la agresividad del medio ambiente. El as-pecto superficial del acero en las estaciones de Huasco (67 µm año-1) e Isla de Pascua (52 µm año-1) también concuerda con los datos obtenidos de velocidad de corrosión, ya que para Huasco se observa una mayor



cantidad de producto de corrosión, de un tamaño ma-yor y con fisuras en comparación con el aspecto que presenta el acero en Isla de Pascua. La velocidad de corrosión al año de exposición es mayor para el acero en la estación de Huasco. La observación en corte del espesor de los productos de corrosión de las muestras de Arica y Putre son concordantes con los datos de velocidad de corrosión obtenidos (Fig. 7).El análisis EDAX en los productos de corrosión para el acero en las estaciones marinas muestra en general la presencia de los elementos de Fe, O, Cl, Si y Ca.

En la Fig. 8 se presentan los datos de velocidad de corrosión obtenidos para acero galvanizado en fun-ción del tiempo de exposición. Los mayores valores de velocidad de corrosión para este material se obtienen en las estaciones de Quintero (12,2 µm año-1), Arica (7,9 µm año-1) y en menor grado Huasco (3,4 µm año-

1), Antofagasta (1,9 µm año-1) e Isla de Pascua (1,7 µm año-1) y en el resto de las estaciones la velocidad de corrosión de acero galvanizado es menor o igual a 1 µm año-1.

El valor de velocidad de corrosión de acero galvanizado en Arica se encuentra en segundo lugar con respecto al comportamiento del material en las otras estaciones, las razones se atribuyen a la actividad que presenta el Zn en medio cloruro y dado que esta estación se encuentra localizada a 10 m del borde costero y como la temperatura del mar en este lugar es alrededor de 20°C se favorece el proceso de evaporación de sales que junto a la existencia de vientos del suroeste se pro-picia una mayor deposición de sales sobre el material.

Los análisis por DRX identificaron la presencia de (Zn5Cl2(OH)8H2O) simonkoleita, ZnO (cincita) y SiO2 (polvo) en los productos de corrosión formados sobre acero galvanizado en las estaciones de mayor agresivi-dad en ambiente marino. El EDAX mostró la presencia de los elementos Zn, Cl, O y Si. En aquellas estaciones donde la velocidad de corrosión del galvanizado es menor a 1 µm año-1 la morfología de los productos de corrosión observada por MEB muestra zonas irre-gulares entre superficie con capas finas de producto de corrosión y zonas de material desnudo. En la Fig. 9 se presentan los datos de velocidad de corrosión obtenidos para cobre en función del tiempo de exposición. Es importante observar que la velocidad de corrosión de cobre en las diferentes estaciones es del orden de 10 veces menor en comparación con el comportamiento de acero al carbono. Los valores mayores de velocidad de corrosión se alcanzan en las estaciones de Arica (8,6 µm año-1), Quintero (5,8 µm año-1), Antofagasta (3,3 µm año-1) e Isla de Pascua (2,4 µm año-1), donde el contaminante principal es el

ión cloruro por encontrarse ubicadas cercanas al borde costero. La estación de Casablanca se encuentra loca-lizada a 19.200 m del borde costero, sin embargo, el comportamiento del cobre en este medio alcanza una velocidad de corrosión de 3,2 µm año-1, un valor simi-lar a los obtenidos para cobre en algunas estaciones ubicadas en zonas marinas. Esta estación se encuen-tra en el interior de una viña donde se agrega a los parrones pesticidas, los que podrían ser los causantes de dicho comportamiento. En estas condiciones los productos de corrosión formados son de color mo-rado. En la mayoría de las estaciones la categoría de agresividad basada en el valor obtenido de velocidad de corrosión concuerda con la clasificación lograda en función del medio ambiente.

Los productos de corrosión formados sobre cobre en estaciones marinas son de color verde y se han iden-tificado principalmente como Cu2Cl(OH)3 (atacamita) y su morfología depende del contenido de cloruro ambiental al que el metal se encuentre expuesto. En estaciones alejadas del sector costero el principal producto de corrosión es Cu2O (cuprita). Se suma en todas las estaciones la presencia de SiO2 proveniente de suelo. En general los análisis EDAX muestran la pre-sencia de elementos tales como: Cu, O, S, Si, Ca y Cl.

En la Fig. 10 se presentan los datos de velocidad de corrosión obtenidos para aluminio en función del tiempo de exposición. Esta determinación se basa en un proceso de corrosión general y comúnmente este metal presenta corrosión localizada con la presencia de picaduras de distintas profundidades en ambiente marino (presencia ión cloruro). La pérdida de masa generada por la formación de picaduras es mínima, por tanto los valores de velocidad de corrosión obte-nidos son pequeños en la mayoría de las estaciones alcanzando como máximo 1 µm año-1.

Sin embargo, la velocidad de corrosión de aluminio en Quintero, Antofagasta, Arica y Huasco es superior, especialmente en la estación de Quintero que se en-cuentra muy cerca del borde costero (5 m) con nieblas advectivas provenientes del océano con alta carga de sales en suspensión y además, tiene un mayor con-tenido de SO2 ambiental con la presencia de polvillo negro y películas adherentes de compuestos orgánicos provenientes de industrias cercanas.

Los productos de corrosión de aluminio contienen principalmente Al2O3 (alúmina) de color blanquecino, granuloso y al ser observados en MEB tienen cierta orientación cristalográfica.

En general la velocidad de corrosión se ve afectada por la temperatura, humedad ambiental, tiempo de




humidificación, precipitación y formación de nieblas, que en el caso de atmósferas contaminadas generan lluvias o nieblas ácidas. Por otra parte, el viento cum-ple un rol importante en forma indirecta por aportes o desplazamientos de elementos gaseosos y sólidos, especialmente en áreas cercanas al mar o en zonas industriales o urbanas que afecten la corrosividad. El volumen de precipitación y el número de días de ocurrencia del evento, puede influir por disolución de productos de corrosión solubles o por erosión del material. En la Fig. 11 se presenta el mapa de corro-sión obtenido para acero al carbono después de un año de exposición al medio ambiente. La velocidad de corrosión se incrementa desde la clasificación C1 a C5.

Por otra parte, por ser Chile un país costero, en las estaciones cercanas al mar la cantidad de cloruro am-biental se ve incrementada favoreciendo el proceso de corrosión. En esas condiciones el cloruro libre retenido sobre el metal corroído dependerá entre otras variables de la composición y de las propiedades que tenga el producto de corrosión formado sobre el metal, tales como, higroscopicidad, morfología y porosidad, como también de la cantidad de lluvia caída durante el tiempo de exposición (Vera, Delgado, Araya, Puentes, Guerrero, Rojas, Cabrera, Erazo y Carvajal, 2012 ).

4. Conclusiones

La velocidad de corrosión de un material expuesto a la atmósfera depende de las características del medio ambiente: Temperatura, humedad relativa, tiempo de

humidificación, cantidad de lluvia caída, velocidad y dirección de los vientos, radiación solar, contenido de contaminantes (cloruro, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono entre otros).

La pérdida del material en el tiempo depende también de las características protectoras del producto de corrosión formado, tales como, adherencia, compac-ticidad y solubilidad.

En esta investigación el orden de mayor a menor de la velocidad de corrosión obtenida para los diferentes materiales es:Acero al carbono >>>acero galvanizado > cobre > aluminio

En las estaciones con un mayor contenido de cloruro ambiental y de tiempo de humidificación se obtienen los valores más altos de velocidad de corrosión para los materiales en estudio, estas son: Quintero, Coronel, Isla de Pascua, Arica, Huasco, Antártica.

La clasificación por categorías de agresividad ambien-tal es concordante con la obtenida para corrosividad a partir de los datos de velocidad de corrosión al año de exposición.

5. Agradecimientos

Los autores agradecen a INNOVA CORFO, a la Di-rección de Investigación de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso y al Instituto Antártico Chileno (INACH).

Referencias

Morcillo M., Feliú S. Mapas de España de corrosividad atmosférica, ISBN: 84-604-6673-6, Madrid, España, 1993.

Rosales B., Mapas de corrosividad atmosférica de Argentina, CITEFA, ISBN: 987-96600, B. Aires, Argentina, 1997.

Santana Rodríguez Juan J., Santana Hernández F. Javier, González González Juan E. “The effect of environmental and meteorological variables on atmospheric corrosion of carbon steel, copper, zinc and aluminium in a limited geographic zone with different types of environment”; Corros. Sci. 45, 799-815 (2003).

Vera R., Rosales B., Moriena G., Evaluation of the protective properties of natural and artifi cial patinas on copper.

Part I. Patinas formed by immersion Corros. Sci., 41, 625-651 (1999).

Vera R., Delgado D., Rosales B., Effect of atmospheric pollutants on the corrosion of high power electrical conductors: Part 1. Aluminium and AA6201 alloy. Corros. Sci., 48, 2882-2890 (2006).

Vera R., Delgado D., Rosales B., Effect of atmospheric pollutants on the corrosion of high power electrical conductors – Part 2. Pure copper. Corros. Sci., 49, 2329-2350 (2007).

Vera R., Delgado D., Araya R., Puentes M., Guerrero I., Rojas P., Cabrera G., Erazo S., Carvajal A. “Construcción de mapas de corrosión atmosférica de Chile. Resultados preliminares”, Rev. LatinAm. Metal. Mat., 32(2), 269-276 (2012).



Figura 1. Localización de las estaciones de ensayo de corrosión en Chile




Figura 3. Comparación contenido de cloruro y dióxido de azufre en las diferentes estaciones por un período de un año. (Unidad mg m-2 día-1)

Aric

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20

0

Dióxido de azufre

Cloruro

Figura 2. Estación de ensayo de corrosión



Figura 4. Contenido de depositación de Cl- y SO2 y categoría de agresividad ambiental para las estaciones en estudio

Figura 5. Velocidad de corrosión promedio de acero al carbono en el período de estudio.

3 meses

6 meses

9 meses

12 meses

Velo

cida

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Quintero

Figura 6. Aspecto superfi cial del producto de corrosión de acero al año de exposición en las estaciones de: A) Isla de Pascua, B) Putre y C) Huasco.

A B C




Figura 7. Aspecto en corte transversal del producto de corrosión de acero al año de exposición en las estaciones de: A) Arica, B) Putre

A B

Figura 8. Velocidad de corrosión promedio de acero galvanizado en el período de estudio

Velo

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Figura 9. Velocidad de corrosión promedio de cobre en el período de estudio

6,00

5,00

4,00

3,00

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0,00Arica

Figura 10. Velocidad de corrosión promedio de aluminio en el período de estudio

Aric

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Figura 11. Mapa de corrosión de acero al carbono al año de exposición del material

PutreAntofagasta

Pampa del Tamarugal

San Pedro de Atacama

Coquimbo

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Puerto ChacabucoPuerto Chacabuco

Punta ArenasPunta Arenas

Coronel

´



PHDC: hybrid and passive

evaporative cooling system

for buildings – predesign

software

PHDC: sistemas de enfriamiento evaporativo pasivos e híbridos para edifi cios – software de prediseño

Autores

SÁNCHEZ, J.. Universidad de [email protected], España

SALMERÓN, J. Universidad de SevillaSevilla, España

MOLINA, J. Universidad de SevillaSevilla, España

SÁNCHEZ, F. Universidad de SevillaSevilla, España

ÁLVAREZ, S. Universidad de SevillaSevilla, España





páginas: 73 - 91[ Sánchez, J. et al. ]

Resumen PHDC, es un proyecto internacional, creado con el objetivo de promover el uso de sistemas de refrigeración Pa-sivos e Híbridos en los edificios entre profesionales de diseño, constructores, propietarios y usuarios. En este artículo, se describen brevemente algunos de los sistemas PHDC. En el marco de este proyecto, el trabajo de investigación realizado produce dos herramientas informáticas para el mejor y máximo aprovechamiento del objetivo del pro-yecto, las cuales se presentan en este artículo. Las herramientas comentadas son dos:

– PHDC AirFlow, en la que se imple-menta el “método del bucle de presiones” para el cálculo de los caudales de aire que circulan por el

interior del edificio. Se analizan los elementos-sistemas-características del edificio, con objeto de integrar un sistema de climatización basado en enfriamiento evaporativo, y se le ofrece al usuario la posibilidad de modificarlos, además se destaca la capacidad de integrar captadores de viento, chimenea solar, sistema de enfriamiento evaporativo basados en medio poroso, micronizadores o pulverizadores.

– Y PHDC Energy & Comfort, en la cual se simula el comportamiento térmico del edificio: cargas térmicas, consumos del sistema de refrigera-ción convencional y ahorro produci-do al integrar el sistema evaporativo elegido en la herramienta anterior.

Palabras clave: Refrigeración natural, enfriamiento evaporativo, software de diseño.

Abstract PHDC is an international project with the objective of promoting use of passive and hybrid cooling systems in buildings between design professionals, builders, owners and users. This article describes some of the systems PHDC analized. Under this project, work of the authors produces two tools for improving and optimization of the objective of project, which are presented in this article. The tools discussed are two:

– PHDC AirFlow, which implements the «loop pressure method» for calculating the air flow inside the bui lding. It discusses elements,

systems and building characteristics, in order to integrate an air conditioning system based on evaporative cooling, and offers capacity to modify, also user can integrate sensors wind, solar chimney, system based evaporative cooling in porous media, micronisers or sprays.

– And PHDC Energy & Comfort, which s imulates thermal behav ior of building: thermal loads, consumption of conventional cooling system and savings produced by integrating the evaporative system chosen in the previous tool.

Keywords: Natural cooling, evaporative cooling system, passive buildings.


páginas: 73 - 91 [ 75 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Sánchez, J. et al. ]

1. Introducción

PHDC supone una alternativa energética, rentable y ecológica para edificios nuevos y existentes. Lo que, en el contexto actual del cambio exigido a los siste-mas de refrigeración convencionales, representa una enorme oportunidad para la reducción del consumo energético y de las emisiones.

La fuerza promotora del tiro térmico invertido, capaz de difundir el aire por el edificio y servir de fuente de refrigeración es el enfriamiento del aire (menor tem-peratura y más húmedo); crea un aumento de su den-sidad. La fuente de aire frío puede ser activa o pasiva.

Pasivo. Se consigue mediante la evaporación directa. En climas secos, como los del sur de Europa, en una operación continua se puede cubrir entre el 25 y el 85% de la carga de refrigeración de edificios terciarios (lo que supone 15 – 60 kWh/m2). En edificios residen-ciales puede reducir la carga por debajo de 15 kWh/m2 (Estándar de Passive House). Amplia información sobre este tipo de sistemas aparece en el proyecto PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling) (Passiv Haus Institut, 2012)

Activo. Condiciones climáticas calientes pero húme-das, requieren el uso de sistemas activos, en los que el enfriamiento es indirecto por medio de un intercam-biador de calor, es decir, se usa un fluido intermedio agua/aire para enfriar la corriente de aire a introducir en el edificio. Aun con el empleo de ventilación me-cánica, se consiguen ahorros del consumo eléctrico del 25-35 % (edificios terciarios).

Híbrido. Es la combinación de las dos técnicas comen-tadas. El sistema se adaptaría a diferentes condiciones climáticas (secas y húmedas); lo cual aumenta la aplica-bilidad, referida a la idoneidad de regiones climáticas, como al aumento de horas de funcionamiento.

2. Descripción de sistemas PHDC

El tiro térmico invertido provocado por el enfriamiento del aire, puede ser generado de varias formas (Givoni, 1997):

Torres húmedas: Integración de matrices de celulosa o wet pad en el camino de la corriente de aire, en la parte superior de la torre de entrada de aire. Se combina una bajada de temperatura alta con elevadas renovaciones hora (entre 10 y 20), lo que es admisible como un sistema de pretratamiento (neutralización) del aire primario del edificio. En el suroeste de EE.UU.

se ha probado este sistema en un gran número de edificios no domésticos y residenciales.

Ducha: Gotas de agua son pulverizadas en la corriente de aire. Este sistema ha sido aplicado en un gran nú-mero de edificios de Australia, Oriente Medio y EE.UU. La mayor parte del agua no se evapora y tiene que ser recogida en la base de la torre. La ventaja es que la calidad del agua puede ser relativamente baja, pero la desventaja es la necesidad de recogida de agua y el espacio que ocupa.

Figura 1: Centro de Investigación de Ahmedabad, India (Fuente: B. Ford)




Medio poroso: Superficies porosas húmedas por las que se hace pasar el aire, por ejemplo cerámica. De alta aplicabilidad en esos lugares donde la calidad del agua es baja, o donde el empleo de la tecnología de inyección no es accesible. El análisis de este método tradicional ha sido temática de investigación financia-da por la CE, y en la actualidad se comienzan a aplicar proyectos con esta técnica.

Micronizadores: Pequeñas partículas de agua se mi-cronizan en el interior de la corriente de aire. La efec-tividad del evaporative aumenta con la disminución de tamaño de la gota, definiendo la efectividad como la capacidad de evaporar la mayor cantidad de agua en un volumen dado de aire. Estos micronizadores han sido usados en jardines botánicos, y en la industria alimentaria y química. Como primer ejemplo de su apli-cación la Avenida de Europa en la exposición universal de Sevilla de 1992, como sistema de refrigeración de espacios abiertos. En el interior de edificios, se pone como ejemplo el Centro de Investigación de Ahmeda-bad (India) (Ford, B., Patel, N., Zaveri, P. and Hewitt, M., 1998), donde torres de micronización han sido capaces de climatizar laboratorios de investigaciones farmacéuticas y oficinas desde 1998. En la actualidad, se ha conseguido que con bajas presiones de aire y con agua tomada directamente de la red, se consigan plu-mas de agua con diámetros inferiores a las 10 micras.

Híbridos: Se puede recurrir a esta opción como apoyo a un sistema PDEC con un sistema activo. Un ejemplo de esta aplicación se encuentra en Valletta, Malta .

Figura 3: La bolsa de malta integra una estrategia híbrida, usando un sistema PDEC y un enfriamiento

indirecto

Figura 2: Avenida de Europa. EXPO 92. Sevilla



3. Descripción general de las herramientas

Herramienta PHDC AirFlow

El programa PHDC (European commission, 2011) Air Flow utiliza el método conocido como “método del bucle de presiones”. Este método ha sido usado ex-tensamente en análisis de flujo en conductos y propor-ciona una solución analítica útil para dimensionar los componentes y sistemas de ventilación natural e híbri-da ((Axley J., 2006) y (Allard F. and Álvarez S, 1998)).

Las capacidades del programa PHDC Air Flow en este sentido son las siguientes:

– Generar la ecuación de balance en cada bucle existente en un edificio tipo.

– Generar el conjunto de ecuaciones de balance para el edificio completo a partir de las anteriores.

– Resolver el sistema de ecuaciones para el edificio completo, obteniéndose así el caudal de aire en cada planta.

– Generar una correlación que proporciona el caudal de aire en cada planta en función de las tempe-raturas, las humedades relativas y la velocidad del viento.

Para ilustrar el proceso anterior vamos a considerar el edificio representado en la siguiente gráfica. En ella podemos observar los bucles correspondientes a cada planta. Cada bucle representa el movimiento del aire desde la entrada hasta la salida del edificio, este movimiento parte de nodos exteriores y vuelve al exterior pasando por las zonas interiores del edificio.

Por ejemplo, el bucle 1 comprende desde el nodo a al nodo s. En dicho bucle se encuentran cinco tramos diferenciados:

– Tramos de entrada: “a-b” y “c-d”– Tramos de salida: “i-j” y “s-t”– Tramo de chimenea de entrada: “b-c”– Tramo de chimenea de salida: “j-s”– Tramos de paso a través de puertas: “e-f” y “g-h”

Las presiones de los nodos se identifican secuencial-mente como pa, pb, pc, pd,…, pt,, y de nuevo pa. Con esta notación la ecuación fundamental del bucle de presiones es:

Ecuación 1

Donde los índices x e y se permutan secuencialmente en cada uno de los nodos conforme se avanza en el bucle definido previamente.

La ecuación anterior se puede escribir también de la siguiente forma:

Ecuación 2

Donde:

Δplloss son las pérdidas de presión en el bucle “l” debi-das a la fricción en la entrada, la salida y al movimiento del aire en el interior del edificio.

Δplwind es el incremento de presión producido por el viento en el bucle ”l”.

Δplstack es el incremento de presiones debida a la torre de salida –tiro térmico y/o mecánico– en el bucle “l”.

Δplwind es el incremento de presiones en la torre de entrada –enfriamiento evaporativo– en el bucle “l”.

Para un bucle dado, el término de la izquierda de la ecuación anterior está formado por las presiones que se oponen al movimiento y en el término de la derecha es-tán las presiones que fomentan el movimiento del aire.

Figura 4: Sección vertical del edifi cio

En el ejemplo anterior se han identificado dos bucles así que el sistema de ecuaciones que habrá que resolver será un sistema de dos ecuaciones no lineales acopladas entre sí. Las dos incógnitas en dichas ecuaciones serán los caudales de aire que circulan en cada planta. El aco-plamiento se debe a que el flujo de aire en las torres es,




en el tramo superior, la suma de los caudales por cada planta. El método de resolución utilizado es el método de Newton-Raphson modificado para obtener conver-gencia cuadrática. Este método se denomina “método de Ralston-Rabinowitz” usando una función auxiliar.

El programa PHDC Air Flow puede usarse para obtener dos tipos de soluciones:

– Caso 1: Solución de un escenario concreto dado por el usuario. Es necesario dar la temperatura y la humedad relativa exterior, así como la configu-ración del edificio y del sistema PHDC.

– Caso 2: Obtención de una correlación que permi-te exportar los resultados del programa al PHDC Energy & Comfort.

Para asegurar la validez de la correlación, esta se genera para un rango amplio y representativo de las condiciones ambientales.

a) Herramienta PHDC Energy & Comfort

Las principales características del edificio tenidas en cuenta son:

– La transferencia de Calor por elementos opacos es calculada mediante factores de respuesta, es decir, a través de un modelo de elementos finitos que evalúa el régimen transitorio. La transferencia de calor se considera unidimensional en paredes y suelos; y bidimensional en aquellos elementos en contacto directo con el terreno.

– La transferencia de Calor debida a elementos trans-parentes y semitransparentes se calcula a partir del factor solar y de la tramitancia térmica proporcio-nada por los fabricantes.

– Se tienen en cuenta las sombras por obstáculos externos y por las propias protecciones solares del edificio.

– La carga ventilación se calcula usando los resulta-dos del programa PHDC Airflow, en el que se simu-lan los flujos de aire por el edificio y la estrategia de refrigeración.

La resolución del cálculo de cargas, y por tanto, de la temperatura interior, tiene en cuenta las cargas inter-nas, externas, la ventilación (activa/pasiva) y sistema convencional de climatización (calefacción/refrige-ración), unido a los datos meteorológicos aportados por el usuario o de la base de datos disponible. La herramienta resuelve el conjunto de ecuaciones de equilibro a través de un proceso iterativo.

Considerando la descripción de un edificio, definida por el usuario, y los datos meteorológicos en el forma-to apropiado; se simula el edificio en dos situaciones y se estima el ahorro energético: una con un sistema PHDC integrado a un sistema de climatización con-vencional como apoyo; y otra solo con un sistema convencional de climatización.

El programa permite que el usuario pueda simular el edificio sin sistema convencional de refrigeración; simplemente con/sin sistema PHDC, con el objetivo de evaluar el disconfort térmico, definiendo este como el número de horas en las que la temperatura interior se excede un valor predeterminado (23ºC, 25ºC o 27ºC). Unido a esta opción, se ofrece como resultado la evolución de la temperatura interior del edificio para poder realizar cualquier otro tipo de comparación.

b) Interacción entre herramientas

Existen tres métodos para realizar esta operación:

– Acoplamiento secuencial: Este método implica la resolución separada de ambos programas. Primero el AirFlow resuelve el movimiento de aire en las zonas, asumiendo unas temperaturas impuestas por el usuario. Seguidamente, Energy & Comfort, asume el movimiento del aire, y recalcula la distri-bución de temperaturas en las zonas, verificando la situación anterior y los cambios que se puedan producir en la misma, por cambios tanto del nivel térmico anterior como de las condiciones meteo-rológicas (simulación del periodo fijado por el usuario).

– Acoplamiento iterativo o ping-pong: Cálculo si-multáneo del problema térmico y aeráulico (CFD). Definido el paso de tiempo, el modelo térmico resuelve la temperatura de aire, que se transfiere para el cálculo de flujo de aire.

La ventaja de estos dos métodos es que se pue-den usar dos modelos independiente; pero en el segundo, se debe variar gradualmente el paso de tiempo hasta que se asegure la convergencia, lo que complica el problema.

– Acoplamiento directo: Esto implica la solución simultánea de ambos modelos.

El software objeto incorpora el acoplamiento secuen-cial: PHDC Airflow resuelve el movimiento de aire y exporta una correlación, que permite a PHDC Energy & Comfort poder definir el modelo térmico del edificio en cada paso de tiempo.



Figura 5: Estrategia de acoplamiento secuencial

Feedback

Air Flow model

Thermal model

4. Fundamentos de la herramienta

Propiedades

Datos climáticos

Se pedirán tanto condiciones exteriores de tempe-ratura y humedad relativa, como interiores. Servirán para evaluar las necesidades y propiedades de los di-ferentes caudales. Además se usarán en la correlación posteriormente.

Altura sobre el nivel del mar

Con la altura, las condiciones de presión temperatura y densidad van variando. A medida que se asciende la presión atmosférica va disminuyendo, lo que afec-ta directamente a la densidad del aire, variando esta en forma proporcional. A esto se le contrapone la temperatura, la que al disminuir con la altura debería volver al aire más denso, aunque en realidad no al-canza a compensar el efecto de la presión, que es más marcado. En concreto, el resultado es que la densidad disminuye con la altura.

Figura 6: Curva de la presión absoluta ambiental (mm Hg) frente a la altura sobre el nivel del mar

Se puede obtener a partir de la relación con la ecua-ción de los gases perfectos:

Ecuación 3

Con Pnivel–mar como la presión en el nivel del mar, R = 8.314* 103 (N m) / (Kmol K)g = 9.8 m /seg2 m = masa molar del aire atmosférico = 28.96 Kg / Kmol

Efecto del viento

Ecuación 4

Cpe = 0.3 Cps = –0.2 (valores defecto)

Ecuación 5

ν Velocidad del viento (velocidad aire)

Densidad del aire exterior (todas las densidades se obtienen de la lectura del psicrométrico)

Existen dos usos de la potencia del viento: uno debi-do a la diferencia de coeficientes de presión entre la cara expuesta al viento (nuestra zona de entrada de aire) y la zona de extracción; el segundo se debe a la incorporación del captador de aire (Windcatcher) en la parte superior de la torre de impulsión.

La definición del captador está basada en su coeficien-te de presiones, fruto de su comportamiento aerodi-námico, en el programa se ofrece una amplia gama de modelos caracterizados a partir de los experimentos documentados en el artículo :

La caracterización de los captadores se ha realizado calculando en el programa CFD FLuent© el coeficiente de presiones haciendo uso de su definición funcional:

Ecuación 6

Siendo P la presión sobre la superficie de entrada del captador en la cubierta, una vez que el perfil de flujo se ha uniformizado. El denominador de la ecuación




anterior es la energía cinética disponible en el viento antes de su llegada al captador.

Figura 7: Líneas de corriente, simulación CFD realizada a los captadores de viento

La siguiente figura recoge los valores que caracterizan a cada una de las tipologías de captadores anteriores: (Pearlmutter D., Erell E., Etzion Y., Meir I.A. and Di H., 1996)

Figura 8: Resumen del catálogo de geometría creado en CFD, e imagen resumen los experimentos de Etzion

El programa admite la posibilidad de integración, por parte del usuario, de nuevos modelos, simplemente caracterizando su coeficiente de presiones e introdu-ciendo este dato eligiendo el captador genérico en el menú de windcatchers.

El captador estudiado por MCA en el proyecto PDEC, EU DGXII JOR3CT950078, queda caracterizado asig-nándole un valor del Cp de 1.00.

Torre de salida

Cuantificaremos las pérdidas debidas a la descarga a través de la torre:

Ecuación 7

Donde Q es el caudal de aire; Cd es el coeficiente de descarga con valor por defecto 3.459, la corrección por una salida no ideal que dependerá de la geome-tría y del número de Reynolds; y Aextracción-libre es el área transversal de la extracción libre, que el usuario presenta como dato, y será el factor principal para cuantificar esas pérdidas de carga.

Las pérdidas por fricción:

Ecuación 8

Siendo f el coeficiente de fricción, con valor por de-fecto 0.02, hextr es la altura de extracción denominada como Z en el programa y bextrac es el ancho de la torre dado por el usuario.

La densidad de extracción media se calcula a través de la fórmula anterior para caracterizar el volumen de aire que se mueve en la torre, a partir de la siguiente fórmula:

Siendo la temperatura interior y la densidad inte-rior, con los respectivos valores de la extracción implementamos un programa del psicrométrico, del cual leemos propiedades.

La temperatura de extracción Textrac, que se ha corre-lado de la siguiente manera, sabiendo que hemos tenido en cuenta una chimenea solar, en la que la radiación crea un calentamiento del aire que pasa por él, induciendo el tiro térmico (Ghiaus C., Allard F., Axley J., 2003):

Ecuación 9



El tiro térmico lo definimos simplemente por la dife-rencia de densidades:

Ecuación 10

Contribución mecánica a la extracción

El programa permite añadir dos tipos de contribu-ciones mecánicas, un extractor o un windturbine, el usuario proporcionará la capacidad de los mismos en Pascales (Pa).

Ecuación 11

Windturbine

En el caso de windturbine, el usuario deberá modelarlo a partir de las dos constantes que le proporcionará el fabricante, de la siguiente manera:

Ecuación 12

Figura 9: Evolución de la presión de extracción en un windturbine al variar la velocidad del viento

Torre de entrada

Similar a lo anterior, los cambios aparecerán a la hora de cuantificar el tiro invertido:

Ecuación 13

Tenemos unas condiciones geométricas similares a las de la extracción, que también serán proporcionadas por el usuario. Para evaluar el tiro invertido se utilizará la siguiente expresión:

Ecuación 14

Esta ecuación se usa para cualquier sistema empleado, con la salvedad de que en el caso de wetpad, la altu-ra del micronizador se hace nula, y la fórmula sigue siendo válida. La densidad media de impulsión varía según el tipo de sistema que se elija.

Micronizadores

Ecuación 15

Text,bh es la temperatura exterior de bulbo húmedo, según las condiciones dadas y m es el caudal de agua inyectado.

Esta correlación ha sido caracterizada mediante la implementación del sistema en un programa de CFD Fluent. Se ha visto que para el tamaño de gotas que vamos a manejar, evaporaremos por completo el cau-dal de agua. Hemos establecido en gotas del tipo “mirconización” las inferiores a 30 micras, pero todo depende de las condiciones de uso, para ello se reco-mienda abarcar el problema de la siguiente manera:

Resolver el problema sin añadir torre de impulsión, evaluar los caudales de aire que vamos a mover por la torre. Con este valor hacer un cálculo de la cantidad de agua necesaria, conocida la temperatura exterior del aire, su calor específico y el calor latente del agua, podemos hacer el siguiente balance:

Ecuación 16

Donde: λ=2500 kJ /kg Cp= 1 kJ /kg·K Q= aire en la torre [Kg/s] Magua= agua introducida [kg/s]




Una vez obtenida esa estimación de la cantidad de agua, activaremos la torre de impulsión con esa cau-da de agua. Además en la hoja de resultados se verá la temperatura de impulsión y la humedad relativa de salida de la torre, así se puede variar la cantidad de agua buscando un objetivo, siempre teniendo el orden de magnitud posible de las variaciones a hacer. Se recomienda que cuando se trabaje con una planta, el diámetro de las gotas sea menor de 20 micras, en adelante el uso de hasta 30 micras es posible y acep-table, para una evaporación total.

Se debe tener en cuenta por parte del usuario que introducir una cierta cantidad de agua mediante mi-cronización no garantiza la evaporación de la misma si se hace mediante un número de micronizadores inferior al necesario.

Para estimar el número de micronizadores necesarios para una micronización adecuada se remite a los datos siguientes donde se indica la cantidad de caudal de agua máxima por tipo de micronizador para conseguir gotas de un tamaño máximo de 30 micras, estos datos han sido suministrados por Ingeniatrics.

Figura 10: Datos de micronizadores cedidos por Ingeniatrics

Con los datos anteriores podemos concluir que una torre con caudal de agua nominal de 0.005kg/s, se necesitarían 18 micronizadores con un gasto de 1l/h funcionando con una presión de aire de 3.2 bar. En estas condiciones se garantiza que el 99% de las gotas producidas será inferior a 30 micras.

Water sprinkler

Para el cálculo de la densidad media de impulsión en este caso, se calculará la temperatura de impulsión y la humedad de salida, para posteriormente mediante un diagrama psicrométrico, calcular el valor de densidad correspondiente. Para ello en estos tamaños de gotas

será necesario caracterizar el porcentaje evaporado, de la siguiente manera:

Ecuación 17

Wetpad

Teniendo una pérdida de carga por fricción con una fórmula similar a las expuestas anteriormente, salvo los cambios geométricos que el usuario introduzca en la torre. Donde además aparece una pérdida adicional debido a la adición de los wetpads en la entrada de aire, que definiremos en la página siguiente.

Ecuación 18

Donde ν es la velocidad del aire, que se definirá como el cociente entre el caudal del aire y la sección de paso de la torre de impulsión.

Ecuación 19

Donde: bw-p es la profundidad del wetpad, dada por el usuario.

El enfriamiento será definido a partir de una eficiencia.

Ecuación 20

Y esta eficiencia nos permite calcular la temperatura de impulsión.

Ecuación 21

El programa permítela usuario definir las propiedades avanzadas de los wet pads que serían:

– n, usado como exponente en la ecuación de la eficiencia.

– k, usado en la ecuación de pérdidas de carga – a, usado en



Para obtener la densidad media de impulsión, se aproxima el movimiento en el diagrama psicrométrico como uno a entalpía constante, de esta manera se obtiene la densidad de impulsión media.

El caudal de agua deber ser conocido por el usuario ya que este determinará completamente las curvas de eficiencia que sirven para caracterizar el wetpad.

Básicamente se encuentran dos tipos de wetpads, el CELdek y el GLASdek. Ambos se diferencias en el material con el que se fabrica la matriz y por tanto en las pérdidas de carga asociadas.

A continuación se muestran las curvas características suministradas por el fabricante del sistema CELdek:

Figura 11: Gráfi cas de funcionamiento del WetPad CELdek

Para caracterizar este componente se ha buscado el valor de los parámetros k, alpha y n que mejor ajustan las curvas anteriores. En este caso: k=160, alpha=23.5, n=0.2

Y las curvas resultantes del modelo:

Figura 12: Ajuste de funcionamiento del WetPad CELdek

Como puede verse estas curvas se aproximan fielmente a las dadas por el fabricante.

Para el sistema GLASdek las curvas características son las siguientes:




Figura 13: Gráfi cas de funcionamiento del WetPad GLASdek

Para caracterizar este componente se ha buscado el valor de los parámetros k, alpha y n que mejor ajustan las curvas anteriores. En este caso:

k=40, alpha=12, n=0.17

Y las curvas resultantes del modelo:

Figura 14: Ajuste de funcionamiento del WetPad GLASdek

Tratamiento de orifi cios

La pérdida de carga debida al paso del aire a través de un orificio se cuantificará de la siguiente manera:

Ecuación 22

Donde el coeficiente de flujo c[m3/(sPan)] y el exponen-te adimensional del flujo n se determina experimental-mente. Para flujo laminar, n=1, para flujo turbulento n=0.5; por lo que para flujos de transición n estará entre 0.6 y 0.7.

El usuario definirá el valor de las constantes según las características de paso.



En el programa se ofrecerá la posibilidad de definir la entrada de aire en la planta, desde la zona de impul-sión; la salida del aire hacia extracción; y el paso del aire en la misma planta, con o sin puertas, y estas, a su vez, con o sin rejillas. El coeficiente de flujo es una función de la geometría del orificio.

Rejillas

El flujo de aire por el interior de rejillas se ha caracte-rizado mediante la expresión:

Donde el coeficiente c [m3/(s Pan)] y el exponente n [adimensional] se obtienen mediante experimentos y no tienen significado físico. El usuario los podrá obte-ner mediante la consulta a catálogos de fabricantes. Para flujo laminar n=1, y para turbulento n=0.5. Las rejillas autorregulables son rejillas controladas por la presión y suministran un flujo de aire constante a partir de un incremento de presiones dado. Esta baja dependencia con la presión se traduce en un valor de n cercano a 0.1.

Para completar esta información se desarrolla un ejemplo de cálculo de los valores c y n para una rejilla:

1. Dada una rejilla, de su curva de comportamiento extraemos como mínimo dos puntos en los que se relacione el caudal de aire atravesado por la misma y la pérdida de presión asociada.

Ej.: Q1=0.07 m3/s Δp1=5 PaQ2=0.10 m3/s Δp2=10 Pa

2. Planteamiento de la fórmula anterior para cada uno de los puntos, como incógnitas c y n.

3. Cálculo de las mismas resolviendo el sistema de ecuaciones.

c = 0.0306 [m3/(s Pan)] n=0.5146

El valor de c es dependiente de la sección de paso de la rejillas (S), en este caso particular se demuestra que c = 0.407* S.

Ejemplo

En este punto se va a realizar el prediseño (Álvarez-Domínguez, Molina-Félix, Salmerón-Lissén, Sánchez

Ramos, & Sánchez de la Flor, Francisco José, 2010) de un edificio usando la herramienta AirFlow, con el fin de demostrar la utilidad del programa y las amplias posibilidades que ofrece.

La realización del ejemplo se divide en tres pasos, los dos últimos son iterativos y se realizan con las dos he-rramientas de PHDC, como muestra la figura inferior:

– Análisis de datos de partida (Características del edificio, localización y necesidades de refrigeración/ventilación)

– Diseño de un sistema PHDC para este edificio. AirFlow

– Evaluación de la bondad del sistema elegido, y su modificación si es necesario para satisfacer las necesidades prescritas. Energy & Confort.

Figura 15: Esquema del uso de las herramientas

Diseño: Sistema y componentes. Cálculos

Como con cualquier sistema de refrigeración, ‘el tama-ño’ o la capacidad del sistema serán determinados por la carga de refrigeración estimada. El primer objetivo es procurar reducir al mínimo esta carga.

Ganancias de calor internas se deben a la ocupación, iluminación y equipos. Las ganancias internas de las personas dependen de su actividad y su actividad me-tabólica, pero típicamente sobre 80W (calor sensible) para un adulto sedentario. La carga de iluminación artificial con esperanza puede ser reducida al aprove-chando la iluminación natural, siempre evitando un aumento excesivo de la carga debida a radiación. La carga de equipos es variable. El consumo de energía en electrodomésticos ha ido creciendo en Europa y los EE.UU. a pesar de las mejoras en su eficiencia. Si se toma para el ejemplo, un apartamento de 75m2 en Madrid; una estimación de su carga interna podría ser:

– Ocupación: 4 x 80W = 320W– Iluminación: alrededor 3W/m2 = 250W– Equipos: alrededor 3W/m2= 275W– Total ganancias internas = 820W




Las ganancias internas dependen del clima, y se deben fundamentalmente a la radiación e infiltración. Además dependen del valor del coeficiente global de transfe-rencia de la construcción. Si tomamos el ejemplo de radiación solar que incide sobre una azotea en Madrid en el verano, se puede alcanzar un valor de irradiación de 1000W/m2 y, según la naturaleza del material super-ficial, la temperatura de la superficie podría alcanzar 50-60 ºC. Si el valor del coeficiente global de trans-ferencia fuera 0.2W/m2oC, entonces (asumiendo una temperatura interior de 25 ºC) las ganancias a través de la azotea debido a la radiación serían de 6W/m2. En el apartamento del último piso en Madrid, suponiendo que el área de la azotea es la misma que la del piso (75 m2) supondría un valor de 450W. Si el área externa del apartamento es 105 m2 (idéntico valor del coeficiente de transferencia 0.2W/m2 ºC para elementos opacas) y 15m2 de ese área es de ventana de cristal doble (U=1.4W/m2 ºC), el desglose de ganancias sería de 360 W (muros) + 420 W (ventanas). Según lo comentado las ganancias externas serían:

– Ganancias por cubierta = 450W– Muros y ventanas = 780W– Total ganancias internas = 1230W– Total internas y externas ganancias en el

apartamento considerado 2050W.

Cálculo del caudal de aire

La suma de ganancias internas y externas (denomi-nando ese día caliente como “el día de diseño“) es la carga de refrigeración a combatir por el sistema PHDC. Si la técnica a usar es la PDEC, se debe evaluar si con las condiciones ambientales existentes en la región, para ver la viabilidad del sistema en cuanto a la mínima temperatura de impulsión y al caudal de aire capturable, unido siempre a que la temperatura de impulsión sea menor que la temperatura interior.

Givoni [4, 5] sugiere que la temperatura de impulsión a alcanzar por el evaporativo sea inferior a la tempera-tura exterior el 80% del salto entre esta temperatura y la temperatura de bulbo húmedo correspondiente. Por ejemplo, la temperatura seca exterior es 40 ºC y la temperatura de bulbo húmedo es 20 ºC, entonces la temperatura de salida de torre PDEC podría ser 24 ºC.

La potencia frigorífica requerida (Qc) es una función del calor específico del aire (1200J/m3), las renova-ciones de aire a la hora deseable(N), el volumen del espacio (V), y la diferencia de temperaturas entre el suministro de PDEC (Tt) y la máxima temperatura de diseño interior (Tr). Conocida la carga a extraer de la zona, se puede aproximar el caudal de aire necesario:

Ecuación 23

Para el apartamento en Madrid, la carga de refrige-ración es de 2050 W, y por tanto, el caudal de aire equivale a 9.1 ren/h o 0.57 m3/s (2050 m3/h).

Herramienta Airfl ow

Defi nición de datos

Abriendo la ventana de propiedades, se pueden mo-dificar las condiciones interiores y exterior de diseño, así como la velocidad del viento promedio de la zona, altitud de la región y altura de cada piso. La imagen inferior muestra la ventana principal del programa, en la que aparece un esquema de un edificio tipo, donde se distinguen tres partes: la entrada de aire a la izquierda, el área central como región de paso de aire por el edificio, y la salida de aire a la derecha. Este esquema permite ver reflejado el lugar donde se van a realizar cambios, pudiendo aplicarlos de un modo fácil y rápido.

Figura 16: Menú principal del programa Airfl ow, con la pestaña de propiedades activada

Sistema propuesto

La solución seleccionada es una torre de impulsión de 1 m de radio con micronizadores, a su vez se instala una torre de extracción de 1 m de radio para garantizar el flujo requerido bajo cualquier condición climática existente, por ejemplo, ausencia de viento. El software permite al usuario modificar los pará-metros del sistema PHDC de forma muy fácil. Cada sistema de evaporación tiene una ventana asociada donde el usuario puede configurar sus propiedades. De los micronizadores se requieren: altura de entrada



de aire (p), el diámetro promedio de las gotas (µ m), y el caudal de agua a impulsar (la l/h). Ejecutando el programa se obtienen las condiciones de salida de la torre en temperatura y humedad, y los caudales de aire circulantes por cada planta. Tras una serie de pruebas, en las que se varía el caudal de agua a impulsar, y el tamaño de los elementos se decide que: las gotas tenga un tamaño de 30 micras y un caudal de agua de 30.6 litros por hora, además de un extractor de 10 Pascal para obtener el flujo de aire deseado cuando la velocidad del viento es 2 m/s (velocidades mayores implican menos necesidad de ventilador, velocidades menores mayor). Con este sistema, el aire de salida de la torre tiene una temperatura de 24.3 ºC y una humedad relativa del 60.9 %.

La siguiente figura muestra la ventana de resultados:

Figura 17: Resultados del sistema propuesto

Energy & Comfort

La simulación del sistema en esta herramienta requiere la exportación de los datos desde Airflow, para ello existe un botón llamado correlación. Esta correlación comunica los dos programas. El usuario introduce los datos generales (descripción del edificio y sus pro-piedades térmicas) en la primera pantalla, y carga la correlación comentada.

Los resultados para el caso diseñado en términos de temperaturas y exigencias de energía que se enfrían se muestran en la siguiente figura.

Cuantitativamente, la reducción del consumo de ener-gía durante el período simulado (1r 15 o durante junio) es de 607 kWh la utilización de un sistema conven-cional HVAC, a 273 kWh usando el sistema diseñado PHDC acoplado al sistema convencional. Esto quiere decir 55 porcentajes en la reducción de consumo de energía. En la misma ventana el software evalúa el consumo de agua en 4387 kilogramos del agua du-rante el período.

Figura 18: Ventana de resultados: temperatura interior (en rosa para un sistema de frío convencional y en celeste aplicando PHDC) y la potencia frigorífi ca requerida (en rojo para un sistema convencional y en azul con un sistema PHDC

como apoyo del convencional)




5. Discusión

Caso a estudio: edifi cio con torres de micronizadores

El centro de investigación de Ahmedabad, diseñado por Abhikram Architects y finalizado en 1998, donde se instalaron torres alrededor de las áreas de trabajo para refrigerarlas.

La primera fase del Centro de Investigación de To-rrente está formada por seis edificios de laboratorios (de tres pisos conectados, que son usados de zona de impulsión del aire para climatizar las oficinas y los propios laboratorios), unidos a un complejo central administrativo. Este diseño permitirá unir la futura segunda fase. Los primeros edificios fueron construi-dos y ocupados en 1998, mientras la totalidad de la primera fase fue completada en 2000. Este proyecto es la primera integración de los sistemas PDEC a gran escala en la India; lo que le otorgó el objetivo de de-mostrar la aplicabilidad y utilidad de la refrigeración evaporativa a grandes edificios no domésticos (Tho-mas, L. and Baird, G, 2006).

Con una superficie de 17,000 m2 de laboratorios de investigaciones farmacéuticos; en las que se tienen áreas con aire relativamente “sucio” como laboratorios de síntesis químicos, a “muy limpio “ como áreas de tratamiento del tejido, biología molecular y diseño de medicinas. El cliente concienciado de las ventajas y eficacia de los sistemas PDEC, y para reducir la depen-dencia a los sistemas convencionales sin comprometer la comodidad del inquilino, decidió que aproximada-mente el 70% de los laboratorios más todas las zonas adyacentes fuera refrigerado con sistema PDEC.

También se debía maximizar el empleo de la ilumina-ción natural, evitando los riegos de calentamiento so-lar. Además, los arquitectos (Abhikram de Ahmedabad) tenían que usar materiales de la zona o con posibilidad obtenerlos con facilidad. Así, las paredes externas y la cubierta incorporan el mineral ‘vermiculite’ que actúa de aislante térmico, aunque no consigue obtener unos valores del coeficiente global de transferencia tan ba-jos como exigen la mayoría de las normas europeas. Se instalan deflectores de cerámica para reducir la entrada de polvo por las regiones de entrada y salidas de gases del edificio. Incluso, persianas motorizadas en la azotea sellar el edificio en caso de un vendaval de polvo.

Figura 19. Plano de situación

Estrategia medioambiental

El aire es introducido por los espacios abiertos de los tres niveles a los laboratorios y oficinas. El aire se enfría y se impulsa a través de tres torres (4m x 4m); y es extraído a través de las torres en el perímetro. Estas zonas del perímetro están diseñadas para aprovechar el potencial extractor del viento, ajustando al nivel del mismo. De este modo, en las áreas con mayor carga térmica a combatir, se diseña un perímetro con mayor fuerza de extracción para que aumente el caudal de aire frío que va a esas zonas.

Figura 20. Plan de funcionamiento del PDEC



Figura 21. Esquema del movimiento de aire durante el día en modo refrigeración (izquierda) y esquema del

movimiento de aire durante la noche Night Cooling (derecha)

Estrategia de verano: durante el día, a partir de fina-les de febrero hasta mediados de junio, el edificio es climatizado simplemente con una ventilación natural, hasta que la temperatura interior es varios grados superior a la interior que es cuando se conectan los inyectores para enfriar el aire exterior e introducirlo en el interior (Figura 17). Este aire fresco se deja caer por las torres (Figura 18), y a través de aperturas interiores se introduce en la zona de laboratorios. Por la noche, el movimiento de aire es invertido, se introduce aire de la calle más frío que el interior, que a su paso por el edificio se calienta (absorbe las cargas internas) y asciende (Figura 17). La capacidad de refrigeración de esta opción se fundamenta en bajar la temperatura

del edificio, por lo que depende fuertemente de la inercia del mismo.

Figura 22: Zona de los laboratorios en la que se pueden observar las aperturas de aire hacia ofi cinas y

laboratorios

Estrategia de invierno: durante el día, igual que en el caso anterior, la ventilación natural (en más bajo caudal) es capaz de climatizar los edificios; mientras que por la noche se cierran las aperturas del exterior para evitar la pérdida de calor.

La definición de las condiciones de confort, ha sido objeto de extensas discusiones entre los consultores y el cliente, el Doctor C. Dutt, Director del Centro. Se aceptó la flexibilidad en las condiciones interiores (Givoni, 1994), siempre y cuando no se excediera el máximo de 28-28.5 ºC, durante las horas de funciona-miento. Este suceso se denomina, Confort adaptable,




en el que los inquilinos ajustan su bienestar interior según las condiciones climáticas exteriores.

Monitorización

Se han hecho un gran número de estudios sobre el funcionamiento en verano del sistema. Las tempe-raturas medidas en 1997 y 1998 indicaron que las temperaturas internas máximas pueden mantenerse sobre 12-14 ºC por debajo de la temperatura exterior; y a su vez 5 ºC más bajas que la media exterior. Brian Ford (1999), en sus informes corrobora que se tienen temperatura de 27 ºC en la planta baja y 29 ºC en la planta alta, cuando la temperatura exterior es de 38 ºC y manejan caudales de aire equivalente a 9 renova-ciones por ahora en la planta baja y 6 renovaciones en la planta superior en el mismo periodo de medida. Además, encuestas de satisfacción al personal desve-lan que, durante el verano (febrero - junio), los labora-torios son cómodos y bien ventilados, incluso cuando opera el sistema de aire convencional como apoyo.

Majumdar (Majumdar, 2001) en sus informes también enuncia como se alcanzan valores de temperatura inte-rior de 29-30 ºC cuando fuera se tienen temperaturas de 43-44 ºC. Majumdar divulgó que las fluctuaciones de temperaturas no excedían los 4 ºC durante periodos de funcionamiento de 24 horas, cuando el exterior variaba entre 14-17 ºC su temperatura. Una de las primeras preocupaciones era la dificultad para evitar el problema del último piso [6]. Después de un año de operación, el edificio consiguió ahorrar un 65% de energía (el equivalente a 66kWh/m2.año). Thomas y Baird relatan que en 2005, el consumo de energía total para los cuatro edificios PDEC más dos edificios refrigerados de manera convencional era 54kWh/m2. Lo que puede ser comparado a edificios de centros comerciales indios (500kWh/m2.año (Singh, I. and Michealowa, A, 2004)). Este dato es comparable al programa ambiental TERIGRIHA (140 kWh/m2.año para edificios de oficinas de funcionamiento diario). Thomas y Baird (Thomas, L. and Baird, G, 2006) apunta que no solo es el clima el papel fundamental, sino también cuando el edificio tiene sus puntas de climatización, ya que se pueden presentar esas puntas en horas en las que las que el clima no es muy caliente.

Se observó (Thomas, L. and Baird, G, 2006) que cada uno de los cinco edificios originales de laboratorios,

fueron diseñados para una ocupación de 25 científicos (aproximadamente 15m2/persona). Con la extensión de las actividades, aumentó el personal; y se prevén cambios en años recientes. En la actualidad se tiene que algunos edificios acomodan entre 70-80 personas (aproximadamente 5m2/persona) simultáneamente. Este hecho hace que las cargas sean mayores, y que se haya necesitado aumentar la potencia de los ventiladores de impulsión de aire, para aumentar el caudal de aire.

6. Conclusiones

En este artículo, se describen las herramientas PHDC junto con información asociada al proyecto. Las herra-mientas permiten cuantificar los caudales de aire en el interior del edificio, y su contribución a la refrigeración del mismo, cuando se aplican técnicas evaporativas. Incluso el cierre del artículo, presenta un caso práctico de la viabilidad del sistema.

En resumen:

– En verano, este tipo de sistema funciona adecua-damente, como apoyo al sistema de frío conven-cional, como refrigerar zonas abiertas, como un preenfriamiento del aire primario.

– Las consideraciones de confort del inquilino juegan un papel importante.

– El ahorro de energía es sustancial y evidente.– La integración de estos sistemas es rentable, ade-

más de ofrecer muchas posibilidades todas ellas referentes a la aprovechamiento de los recursos naturales (iluminación, refrigeración nocturna...)

7. Agradecimientos

Este trabajo ha sido realizado en el marco del proyecto de PHDC para la promoción y la diseminación de siste-mas de refrigeración pasivos e híbridos downdraught en edificios (European commission, 2011), que parcial-mente ha sido financiado por la Comisión Europea el 6º programa de marco. En especial a Mr. Brian Ford, junto con su equipo de la Universidad de Nottingham (UNNOTT), con el que se ha mantenido una estrecha colaboración; y Mr. ThierryVan Steenberghe, miembro.



Referencias

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Simulation And Evaluation

Of Thermal Bridges

Typical constructive solutions

approved by the Thermal Norm for

vertical elements in structure of

wood and metalists in Zone 4.

Simulations with Therm and Usai

and evaluation with Method of

Thermal Camera

Simulación y evaluación de puentes térmicosSoluciones constructivas típicas aprobadas por la Norma Térmica para elementos verticales en estructura de madera y metálicos en la Zona 4Simulaciones con Therm y Usai y evaluación con Método de Cámara Térmica

Autores

MUÑOZ, C. Universidad del Bío-Bío,[email protected]ón, Chile

BOBADILLA, A. Universidad del Bío-Bío,[email protected]ón, Chile




páginas: 92 - 111 [ 93 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Muñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A. ]

Resumen Los puentes térmicos generan una serie de patologías dentro de la construcción que son difícilmente reparables una vez ejecutadas. Los problemas derivados por las pérdidas de calor; condensa-ciones superficiales; aparición de moho y deterioro de las estructuras son los efectos más comunes de verificar en terreno, sin embargo los indirectos tie-nen que ver con problemas de salud de los usuarios y los costos derivados de la mantención y de pérdida de ener-gía. El puente térmico es un problema

de diseño que se agrava en el proceso constructivo, por ello, analizar su com-portamiento en la etapa de desarrollo asegura una mejor prestación de la en-volvente. La normativa chilena es débil en su precisión respecto a la manera de abordarlos. Este trabajo pretende defi-nir una metodología de análisis de las soluciones constructivas utilizando para ello métodos teóricos (simulaciones) y métodos experimentales (cámara térmi-ca) para evaluar la pertinencia del uso de un factor como referente de diseño.

Palabras clave: Puentes Térmicos; Valor U; Simulación Térmica; Therm; Usai; Zona 4 - Chile

Abstract The thermal bridges generate a series of pathologies within the construction that hardly repairable are once executed. The problems derived by the losses of heat; superficial condensations; appearance of mould and deterioration of the structures is the effects most common to verify in land, nevertheless the indirect ones have to do with problems of health of the users and the costs derived from the maintenance and of energy loss. The thermal bridge is a design problem that worsens in the

constructive process, for this reason, to analyze its behavior in the development stage assures one better benefit the surrounding one. The Chilean norm is weak in its precision with respect to the way to approach them. This Thesis tries to define a methodology of analysis of the constructive solutions using for it theoretical methods (simulations) and experimental methods (thermal camera) to evaluate the relevance of the use of a referring factor.

Keywords: Thermal Bridge; U Coefficient; Thermal Simulation; Therm; Usai; Zone 4 - Chile.



páginas: 92 - 111 [ Muñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A. ]

1. Introducción:

Nuestro país ha generado propuestas que apuntan al mejoramiento en el uso de la energía como política para asegurar el crecimiento económico y social por tres líneas estratégicas principales: el incremento en el volumen de la producción de energía; la ampliación de la matriz energética con nuevas fuentes (entre las que se incluyen las renovables) y mejorar la eficiencia y el ahorro en el uso de la energía.

En las edificaciones, uno de los problemas comunes y evitables son los puentes térmicos que afectan su efi-ciencia térmica, pero también son un agente potencial de patologías que deterioran la calidad de vida de las personas. Evitarlos pasa por su análisis desde la etapa de diseño hasta la supervisión de su correcta ejecución.

La Normativa actual en Chile; los Programas de Cálculo de simulación de transmitancia térmica y los fabricantes de materiales de construcción tienden a despreciarlos, dejándolos como dato por defecto (un valor o factor) lo cual evita su análisis como detalle constructivo, no existiendo un control entre el valor U de la solución y el valor U de la zona más débil o puente térmico llevando a ejecutarlas como soluciones que traen con-sigo pérdidas de energía, peligro de condensaciones y aparición de moho afectando con ello la mantención de la edificación, la salud y el confort de los ocupantes. El principal problema es que, una vez construida la envolvente, estos difícilmente pueden ser corregidos y por ello, intervenir el puente térmico en su etapa de diseño permite generar su ruptura o minimizar sus efectos, asegurando así una edificación saludable que aporta, además, a los propósitos de la sociedad chilena al mejorar la eficiencia energética de sus edificios.

1.1. Objetivos de la Investigación

1.1.1. Objetivo General

Comparar soluciones constructivas de elementos ver-ticales en estructura soportante de madera y metálica aprobadas por la Norma Térmica y graficadas a través del Listado Oficial de Soluciones Constructivas para Acondicionamiento Térmico del Ministerio de Vivienda y Urbanismo, para evaluarlas teórica (simulación con software Therm y Usai) y experimentalmente (probetas en cámara térmica) y a partir de ello, proponer opti-mizaciones (rotura de puente térmico) definiendo una relación (proporción) entre el U de mayor valor y el U de menor valor de la solución constructiva y/o entre las temperaturas superficiales registradas, buscando la menor diferencia al utilizar los mismos elementos o

con la menor cantidad de elementos nuevos (solución por diseño).

1.1.2. Objetivos Específi cos

1.1.2.1. Comparar valores U y Temperaturas superfi-ciales registradas de las soluciones iniciales y me-joradas para obtener una relación entre las zonas de mayor y menor transmitancia térmica.

1.1.2.2. Definir una pauta de evaluación de una solu-ción constructiva que considere el análisis del de-talle constructivo para generar la rotura de puente térmico usando un método teórico (Therm y Usai) y un método experimental (probeta) validando así la simulación.

1.1.2.3. Generar una librería base de materiales locales para ser utilizada con los programas de simulación Therm y Usai, facilitando su utilización en medios académicos y profesionales locales.

1.1.2.4. Utilizar simulaciones que permitan visualizar el comportamiento térmico e higrotérmico de una solución constructiva para tomar conciencia de la aparición de puentes térmicos, fomentando la prevención o atenuación de ellos en la etapa de diseño.



1.2. Visión Global de la Metodología utilizada:

Fig. 001 - Cuadro Resumen Metodología General

Determinación de Programas de Simulación a utilizar

Determinación de Casos de Estudio

ETAPA 0

ETAPA 1

ETAPA 2

ETAPA 3

ETAPA 4

ETAPA 5

CAD

CAD

Therm-Usai

Therm-Usai

Análisis Resultados




Ensayos de Probetas

Ensayos de Detalle Mejorado

Comparación Resultados

Comparación Resultados

Validación

Validación

Conclusiones

Manual Soporte Web

Cámara Térmica

Cámara Térmica

Simulación de Detalle Mejorado

Fig. 002 - Cuadro Resumen Metodología Estudio de Casos

Revisión Casos Graficados en Manual MINVU

Elección de Casos

Dibujo del Detalle

ETAPA 0

ELECCIÓN

DIBUJO

ETAPA 1

THERM

ETAPA 2

USAI

ETAPA 3

U

ETAPA 4

Tº

ETAPA 5

CAD Exportar a DXF

Definición de materiales

Definición de materialesImportación detalle

Redibujo detalle

Generación librería

Obtención datos Therm

Generación informe

Generación informe


Generación informe

Validación

Comparación Datos

Conclusiones


Generación imágenes

Simulación con Therm

Cálculo U manual

Tº Superficiales

Redibujo detalle

Definición de materiales

Generación gráfico

Simulación con Usai




2. Desarrollo

2.1. Marco Teórico:

En el contexto nacional, El Ministerio de Vivienda y Urbanismo implementó para cumplir con la Regla-mentación Térmica de Viviendas la utilización de un método de simulación basado en la Herramienta de Certificación del Comportamiento Térmico de los Edificios, la CCTE_CL (http://www.minvu.cl/opensi-te_20071214162133.aspx ).

Esta, asigna valores por defecto a partir del tipo de puente térmico y de la información de los cerramien-tos a los que se adosa según la NCh 853. El cálculo se hace en base al cálculo de Transmitancia Térmica Lineal. Se asume así que el valor se pondera según los valores arrojados por los diferentes tipo de puente térmico presentes (1).

Este criterio planteado desprecia los puentes térmicos puntuales y valoriza los lineales dado que son los más perjudiciales tanto en lo económico como en salud y confort.

El Manual de Aplicación de la Reglamentación Térmi-ca (2) propone visualmente una serie de soluciones constructivas, pero vuelve a plantear los puentes tér-micos sobre la base de un criterio. Son los fabricantes quienes presentan en sus documentos técnicos una serie de soluciones basadas en estos criterios pero demostradas todas ellas para el paquete constructivo, despreciando el problema del puente térmico. De esta manera, la responsabilidad queda en el diseñador o ejecutor de la obra.

En el contexto internacional, una serie de investiga-ciones, normativas y propuestas tratan de avanzar y demostrar los cuidados que se deben tener en el pro-ceso de diseño para evitar las negativas consecuencias, tanto puntuales como lineales.

En el caso español, la herramienta LIDER CTE (http://www.codigotecnico.org/index.php?id=33) mantiene un criterio y valores por defecto para los puentes tér-micos basado en una serie de detalles constructivos tipo que arrojan valores específicos para cada uno de los presentes en la obra a evaluar. Si los valores que se entregan no son los que se conocen para el deta-lle analizado, estos deben ser demostrados por otro método (simulación o ensayo) y se permite validar un valor U nuevo (Manual Líder, pág. 170). En este caso, el programa es más flexible porque no solo da valores asociados a detalles constructivos, sino que además fomenta la búsqueda de otras soluciones validadas por otros métodos.

En Dinamarca se ha implementado un cálculo basado en los mismos criterios que asume CCTE_CL donde los puentes térmicos son definidos por sus pérdidas lineales o puntuales y que su método de cálculo es bidimensio-nal o tridimensional (ISO 14683). Basados en el estándar de las ISO 10211-1 y 10211-2, se profundiza en los modelos de cálculo, sin embargo ellos han aprendido a adaptarlas a sus necesidades locales. El estudio concluye que al incorporar cálculos más exactos en la evaluación de los puentes térmicos, se ha logrado ajustar los cri-terios de diseño y con ello se ha reducido la pérdida de calor entre 10% a 50%, especialmente en muros y alrededor de puertas y ventanas. Definen que la base está en el detalle constructivo y en la adecuada aislación de la obra. Basado en 3 tipologías de puentes térmicos: Valor bajo (vivienda pasiva); Valor medio (diseño típico) y Valor alto (Estructura con muchos puentes térmicos) y definen 3 niveles de U: Valor bajo (pasivo); Valor medio (la normativa) y Valor alto (asociado a edificios locales de los 70). Esto permite generar un análisis y porcenta-jes asociados a las mayores zonas de pérdida de energía (ventanas) basados en la realidad local, comparando lo existente, la normativa y lo más eficiente realizado localmente. El estudio trae una mirada más realista a las posibilidades tecnológicas locales. Se realiza basado en las ISO y apoyado en simulaciones, las que se hacen con métodos bidimensionales considerando que el análisis tridimensional no es necesario para el caso de los puentes térmicos (3).

En un estudio realizado en Grecia, cimentado en las construcciones de doble muro de ladrillo, arrojaron resultados esperados, donde los puentes térmicos eran los principales responsables de las pérdidas de calor. Concluyen que la normativa es deficiente en estos temas y que la falta de reglamentación afecta fuertemente al medio ambiente, dadas las demandas de enfriamiento y calentamiento que sufren en ese país. Para demostrar y apoyar sus datos, realizan si-mulaciones con TRSYS, programa de análisis bidimen-sional, y se incorpora HVAC para sumar los aportes de los sistemas de acondicionamiento. Este análisis los llevó a ver la enorme discrepancia que hay entre los resultados basados en los métodos tradicionales que tienden a la estandarización versus el cálculo detallado que aporta un análisis 3D donde además se evalúa el comportamiento de los flujos de calor (4).

Un estudio realizado en Francia planteó la necesidad de evaluar los cálculos numéricos versus las simula-ciones 2D de puentes térmicos utilizando el programa BISCO. Se concluyó que las diferencias estaban en el orden de un 5%. De esta manera valida el uso de los programas 2D para cálculo de puentes térmicos, consi-derándolo una herramienta útil y de rápida verificación en el proceso de diseño (5).



En Argentina se realizó un estudio que analizó a tra-vés de simulaciones con un programa 2D, edificios existentes en los cuales se sabía que existían puentes térmicos. Se demostró la situación anómala, pero también se realizó una propuesta de mejora donde no solo se planteó un detalle constructivo, sino que se propuso una ecuación matemática para determinar si se resolvía el problema por espesor o por conducti-vidad térmica. Así, el dato que se consideraba como constante determinaba la estrategia a utilizar (6).

El estudio de Regodón y Tenorio Ríos, del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, analiza los puentes térmicos por varios métodos numéricos y modelos bidimensionales digitales, considerando los demás inexactos o de interminables mediciones. Se centran en la problemática de la pérdida de calor, pero también en los problemas de humedad. Por ello establecen dos criterios para abordar los detalles que contienen puentes térmicos:

1. “Que el impacto de energía sea bajo, es decir, que el valor global de U del elemento constructivo (incluido el efecto del puente térmico) sea menor que un cierto valor máximo (exigido por ejemplo por la normativa nacional) y/o que el efecto del puente térmico no suponga más de un porcentaje dado del total de la pérdida de calor a través del elemento constructivo”.

2. “Que el riesgo de condensaciones sea mínimo, es decir, que el factor de temperatura sea superior al valor crítico (este valor debería determinarse a nivel nacional)“.

Finalmente, plantean el concepto de robust detail definido por la normativa inglesa.

El Detalle Robusto es “aquella solución habitual, reali-zada con materiales y productos comunes y duraderos, basada en las técnicas y práctica industrial existente, concebida de tal forma que minimiza el riesgo de condensaciones, el riesgo de penetración al agua, las pérdidas extra de calor, exceso de infiltraciones, etc. Por tanto una solución constructiva es “robusta” cuando incorpora otros requisitos adecuados a la ha-bitabilidad de los edificios y no solo atiende a aspectos higrotérmicos” (7).

El estudio del Belgian Building Research Institute (BBRI), Bélgica, realiza un exhaustivo análisis de los principales programas de evaluación de puentes tér-micos 2D y 3D. Esta revisión permite tener una visión comparativa de las capacidades y prestaciones de

cada uno, además del alcance de sus resultados. Se plantea aquí que durante las últimas 2 décadas se ha avanzando en esta área, haciéndolos más precisos y de interfase más amigable. Sin embargo, muchos de ellos presentan errores al intentar transformarlos en herra-mientas válidas. Ello porque la evaluación experimental se considera la forma más adecuada de certificación. Por ello, los resultados de estos procesos de simulación son sometidos a ajuste de modo de hacerlos válidos, lo que no ha evitado que sean considerados como buenas alternativas de análisis y verificación previa, por su capacidad y flexibilidad de incorporar materialidades y condiciones ambientales internas y externas sumado a los esfuerzos por validar sus resultados con las Norma-tivas Vigentes, principalmente la ISO 10211:2007 que es específica de los Puentes Térmicos, y las ISO 6946, EN 673, EN ISO 10077-2 de capas de aire y cavidades, e ISO 10456 de Conductividad Térmica (8).

De ello, ambas herramientas elegidas para este traba-jo, son parte del listado de los productos gratuitos los que, obviamente, son limitados en comparación con los comerciales. Por ello es pertinente incorporar otros métodos complementarios que ayuden a alcanzar los objetivo planteados.

2.2. Metodología:

ETAPA 0

2.2.1. Determinación de el o los programas de simulación a utilizar

La elección se hizo en base a sus posibilidades de utilización de costos asociados; curva de aprendizaje; flexibilidad de incorporar nueva información (infor-mación local de materiales) y el tipo de resultados obtenidos.

Bajo esos criterios se decidió utilizar el programa Therm http://windows.lbl.gov/software/therm/therm.html y el programa Usai http://www.usaisoftware.com/en/index_en.html dado que ambos permiten ampliar sus librerías, pudiendo incorporar materiales locales y, en el caso de Usai, simular el elemento cons-tructivo utilizando los datos del clima local dado que se vincula a la librería de Meteonorm http://www.meteonorm.com/pages/en/meteonorm.php .

Otro aspecto valioso en ambos es su disponibilidad de descarga gratuita desde la red lo que permitiría ma-yores posibilidades de masificarlos como herramientas válidas para simular soluciones constructivas locales.




ETAPA 1

1. Determinación de los casos de estudio

De la revisión del Manual de Aplicación de la Norma Térmica (9) se generó una selección de los casos a simu-

Fig. 003 - Ejemplo caso elegido

lar considerando aquellos aplicables a la zona 4 y que poseyeran estructura heterogénea (Fig. 003) ya sea en base a una estructura de madera o una metálica y consi-derando que esta es parte de una solución ya masificada (solución típica) y su factibilidad de realizar una probeta de ella para someterla al ensayo en la cámara térmica.



2. Dibujo en CAD del detalle constructivo

Dado que Therm (10) reconoce los archivos dxf como base para su dibujo, este debe cumplir dos condiciones:

1. Estar separado en capas por material de modo que pueda considerar aristas independientes cuando dos materiales son tangentes.

2. Ir solo en líneas o polígonos, sin textos ni cotas.

Por ello, se generaron 3 archivos:

1. Cad completo con cotas y textos explicativos (Fig. 004).

2. Imagen del dibujo completo en formato jpg.3. Cad en formato dxf separando cada material por

capa y eliminando textos y cotas.

Fig. 004 - Ejemplo CAD

3. Exportación a simulador Therm

Los archivos en formato dxf se pueden “calcar” usando el documento base como referencia (Fig. 005).

Una vez redibujado se determina el sentido en el que se encuentra (planta o corte) y las condiciones de bor-de, de manera de definir el sentido del flujo térmico.

Fig. 005 - Redibujo en Therm

4. Incorporación de datos de materiales a librería base

Therm permite ampliar la librería de materiales y para ello se utilizó la base de materiales del programa de Certificación CCTE.

Con la librería actualizada, se procedió a incorporar a cada elemento constructivo su material especificado. (Fig. 006).

Fig. 006 - Asignación de material local

Para las condiciones de borde, se utilizó el método sim-plificado sugerido por el programa utilizándose 20 ºCpara el interior y 0 ºC para el exterior. Para el coefi-ciente de film, se considera el inverso a la resistencia superficial (Rse y Rsi).


100 ]Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012


Fig. 007 - Asignación de Condiciones de Borde

5. Simulación

La simulación arroja como resultado imágenes y datos de diferente tipo:

1. Isotermas: muestra las líneas de igual temperatura a lo largo del detalle. Estas se deformarán más si existen mayores discontinuidades en los materiales tanto por forma como por conductividad.

Fig. 008 - Isotermas

2. Flujo de calor en infrarrojo: Muestra en colores un espectro de temperaturas en relación a una escala visual la cual se despliega al generarse esta gráfi-ca. Los colores más cálidos (rojos, anaranjados y amarillos) mostrarán las zonas calientes y los fríos (azules y violetas), las zonas frías.

Fig. 009 - Infrarrojo

3. Flujo de vectores: muestra con vectores, el flujo de calor.

Fig. 010 - Vectores



4. Temperaturas: al setear el cursor, al colocarse sobre alguna parte del dibujo arroja la temperatura en ese punto. Con este procedimiento se obtuvo las temperaturas superficiales.

Fig. 011 - Temperaturas en cursor

6. Desarrollo de detalles con Usai

Usai no requiere del dibujo cad base, pero sí la dis-posición y especificación de los materiales de cada elemento. La definición de las condiciones locales se hace utilizando la base climática de Meteonorm. Una vez vinculados esos datos, los detalles son analizados según variantes locales anuales considerando sus temperaturas y humedad relativa.

Fig. 012 - Ventana Usai

Para los materiales locales, estos se incorporaron uno a uno, utilizando la base del programa de certifica-ción CCTE para obtener los valores de conductividad térmica y calor específico de cada material. Para el valor del calor específico, este debió ser convertido a la unidad del programa ya que utilizaba una diferente a la chilena.

Fig. 013 - Asignación de Propiedades de materiales

Al construir el detalle, este va actualizando los datos de su valor U y el valor de la Resistencia Térmica de




la solución de modo que no pasa por un proceso de cálculo separado de la construcción. Al finalizar, el programa puede generar un reporte para el detalle analizado lo que arroja datos de geometría; compor-tamiento térmico e higrotérmico y un análisis mes a mes del riesgo de condensación.

7. Análisis de los resultados

Con Usai se obtuvieron los valores U de las partes con y sin puente térmico por separado y para validarlos se comparó con los obtenidos utilizando el método de cálculo manual (planilla de cálculo que incorporó la fórmula que define la NCh853).

Fig. 014 - Planilla de Cálculo

De estas planillas se obtuvieron los valores por sepa-rado y los ponderados de cada detalle.

Comparar los valores definió una relación entre la zona de mayor y menor U.

Sin embargo, se debió hacer un nuevo ejercicio de comparación de datos dado que las diferencias entre valores U no arrojaban claridad ante la pérdida de calor que es, en definitiva, el problema del puente térmico.

Para ello se utilizó Therm, construyendo una grilla de 2,5 cm por la superficie exterior del muro definiendo como punto inicial el de mayor pérdida de calor. Se obtuvieron 20 puntos hacia la derecha y 20 hacia la izquierda y sus valores se trasladaron a una planilla de cálculo y transformándolos en un gráfico.

Fig. 015 - Gráfi co de Temperaturas Superfi ciales

Estos valores aportaron una nueva relación entre el punto de mayor y el de menor pérdida de calor.

ETAPA 2

1. Determinación de 2 (dos) casos de estudio a construir (probetas)

Fueron elegidos considerando relaciones mayores entre los valores U y las temperaturas superficiales y donde uno fuese en base a estructura de madera y el otro de estructura metálica.



Fig. 016a - 016b - Casos elegidos

2. Desarrollo de detalle con Usai




3. Dibujo en CAD del detalle constructivo mejorado

Fig. 017a - 017b - Casos mejorados

4. Exportación a simulador Therm

5. Simulación

Se obtuvieron las imágenes de isotermas, flujo de calor y flujo de vectores.

6. Cálculo Manual

Se realizó, a modo de verificación.

7. Cubicación

Se cubicó la solución para construir las probetas a ensayar en la cámara térmica.

ETAPA 3

1. Construcción de probetas originales

Adaptado el detalle a las medidas del anillo de guarda de la cámara térmica, en la probeta se dispusieron las termocuplas de la manera estándar, es decir, dispo-



niéndolas para obtener las temperaturas superficiales y de aire y a ellas se sumaron una serie de termocuplas al interior de los tabiques para medir las temperaturas que permitan graficar su comportamiento, similar a lo que se obtuvo de manera automática con Usai.

2. Análisis en cámara térmica

El proceso de evaluación en la cámara se realizó según lo descrito en el procedimiento de la NCh 851 Of.83. En el caso de estas probetas, el período de estabiliza-ción se produjo entre 2 a 3 días y las mediciones se realizaron cada dos horas en períodos desde las 8 de la mañana hasta las 20 horas.

Estos registros se traspasaron a una planilla que con-tiene los valores asociados a cada termocupla para los días y horas que dura el proceso de estabilización, obteniéndose los siguientes datos:

1. Valor U.

2. Temperaturas superficiales lado frío y lado caliente.3. Temperatura de aire lado frío y lado caliente.4. Temperaturas Interiores.

3. Comparación de los resultados con los de la simulación

Originalmente se consideraron condiciones de borde supuestas de temperaturas (0 ºC exterior y 20 ºC interior) las cuales difieren de las registradas en la cá-mara térmica lo que distorsionaba los valores mínimos y máximos tanto superficiales como interiores. Por ello, se actualizaron las simulaciones (Therm y Usai) utilizando las obtenidas experimentalmente para que se pudiera comparar los resultados con parámetros iguales.

Con los datos, se generó una matriz (Fig. 018) que contiene los valores iniciales (de las soluciones MINVU); los cálculos manuales; las simulaciones y los resultados de las probetas.

Fig. 018 - Matriz de Comparación




4. Validación (o no) de simulación

Con la matriz se visualizaron los datos obtenidos por los diferentes métodos de manera de aproximar a una validación o pertinencia para utilizar Therm y Usai como simuladores, considerando que se mantuvieron condiciones similares de borde y de datos asociados a los materiales en ambos procedimientos (Simulaciones y Cámara Térmica).

ETAPA 4

Procedimiento es idéntico al de la Etapa 3 pero para las probetas mejoradas, punto 1,2,3, y 4.

ETAPA 5

1. Conclusiones

2. Manual paso a paso y soporte web

Se eligió uno de los casos mejorados y se estructuró un documento paso a paso para la utilización de Therm y Usai. Este trasladará a soporte web, anexando todo el material necesario para repetir el procedimiento.

3. Resultados y Discusión

3.1. Resultados Obtenidos

La elección de las soluciones constructivas a evaluar se basó en la idea de conseguir variaciones de tempera-turas y resistencias térmicas notorias dada la evidente presencia de puentes térmicos por discontinuidad de materiales.

3.1.1. De las Simulaciones

Se ejecutaron por tres métodos: Planilla de Cálculo; Therm y Usai.

Todas ellas toman como referencia el dato de la solu-ción aprobada por el MINVU (caso base) la cual daba como parámetro el valor U de la solución constructiva.

Planilla de Cálculo:

La primera evaluación fue realizar los cálculos por se-parado de los valores U de las zonas sin y con puente térmico. Luego se hizo un cálculo ponderado, presen-tándose pequeñas diferencias con el valor definido en la solución MINVU.

Fig. 019 - Comparación valores U ponderado MINVU / Planilla de Cálculo

Diferencias que en el caso de la solución S053 con estructura en base a perfiles metálicos varió de U ori-ginal = 0,7 a un valor U calculado = 0,65 y en el caso de la solución S083 en base a estructura de madera, de U original = 0,7 a un valor U calculado = 0,66. Aproximando los valores a un decimal, los valores serían iguales (Fig. 019).

Los valores U separados de utilizaron para defi nir si se cumplía la relación 1:2 máxima para evitar las patologías de los puentes térmicos y comparar los valores entre simu-laciones y los obtenidos en la cámara térmica. (Fig. 020).

Fig. 020 - Comparación valores U mayor y U menor y Relación (1:2)



Usai:

Fig. 021 - Comparación valores U ponderado - MINVU / Usai

Los valores entregados por el programa Usai para los valores ponderados fueron, para el caso de la solución S050 de U=0,7, igual a lo definido por el MINVU y de la S083 de U=0,65, cercano al U=0,7 del caso base. (Fig. 021).

Comparando los valores U ponderados obtenidos por el cálculo manual y los obtenidos con Usai, ambos poseen resultados casi idénticos y en el caso de los valores U parciales sucede algo similar (Fig. 022).

Therm:

De estas simulaciones se obtuvieron imágenes y datos de temperaturas superficiales las cuales se compararon con las obtenidas en la cámara térmica.

Se registraron las temperaturas máximas y mínimas superficiales de ambas soluciones lo que evidenció diferencias mayores que las de los valores U.

La simulación S053 original registró una temperatura máxima de 9 ºC y mínima de 6 ºC a diferencia de su probeta que registró una máxima de 9,93 ºC y una mínima de 8,58 ºC. Con esos valores el delta de tem-peratura es 3 ºC en la simulación y de 1,35 ºC en la cámara. Más de el doble (Fig. 023).

La simulación S053 mejorada registró una temperatura máxima de 5,6 ºC y una mínima de 4,9 ºC y la probeta registró una máxima de 7,39 ºC y mínima de 6,84 ºC. En este caso, el delta de la simulación es de 0,7 ºC y el de la probeta de 0,55 ºC mucho más cercano.

En el caso de las solución S083 original sucede algo similar al original de la S053 con un delta de 1,6 ºC versus 0,6 ºC de la probeta y para la mejora, 0,2 ºC de la simulación versus 0,53 ºC de la probeta. Ambas mejoras demuestran un comportamiento más similar al de las probetas que las soluciones originales (Fig. 023).

Fig. 022 - Comparación valores U Cálculo Manual / Usai

Fig. 023 - Comparación Temperaturas Superfi ciales Therm / Cámara Térmica




3.1.2.- De las Probetas

Fig. 024 - Comparación valores U ponderado MINVU / Cámara Térmica

Los valores de U obtenidos en las probetas fueron más altos que los definidos para las soluciones MINVU variando de 0,7 a 0,72 para la solución S050 y de 0,7 a 0,74 en la solución S083 (Fig. 024).

Para las probetas correspondientes a las mejoras, para la S050 las variaciones fueron para el cálculo manual de 0,59; para Usai de 0,62 y para la cámara de 0,74.

Para la S083 las variaciones fueron para el cálculo manual de 0,54; para Usai de 0,57 y para la cámara de 0,6 (Fig. 024).

Para las comparaciones de los valores U máximos y U mínimos, los rangos fueron más similares entre los métodos de simulación (manual y Usai) que con los de las probetas.

De igual modo, las diferencias de temperaturas super-ficiales obtenidas con Therm comparadas con las de las probetas fueron muy diferentes al igual que los deltas de temperaturas para cada caso (Fig. 025).

Para el caso de los gráficos de temperaturas interio-res obtenidos con Usai, estos presentan diferencias, pero el comportamiento de las curvas es muy similar a las graficadas a partir de los datos obtenidos en las probetas tanto para las zonas sin como para las con puentes térmicos (Fig. 026).

Fig. 025 - Comparación valores U y Temperaturas Superfi ciales Simulaciones / Cámara Térmica



Fig. 026 - Comparación Gráfi cas de Temperaturas Superfi ciales Usai / Cámara Térmica




3.2. Discusión

De las comparaciones realizadas, el valor U se ve más confiable para la utilización de las simulaciones con Usai y a través una planilla de cálculo. Este procedi-miento permitiría rápidos ajustes y comparaciones que son visualizadas con Usai y son verificables aplicando el método de cálculo manual (a través de la planilla de cálculo) especificado en la normativa chilena.

Usai arrojó resultados similares a los de las probetas en las curvas de comportamiento térmico lo que se puede considerar como una visualización válida.

Therm ofrece visualizaciones claras del flujo de calor siendo preciso en graficar los puentes térmicos, pero los datos de temperaturas superficiales no ofrecen seguridad de ser un dato confiable. A pesar de ello, aporta nociones de puntos y zonas críticas de pérdi-das de temperatura siendo muy flexible y de rápida incorporación al proceso de diseño para el análisis de una solución constructiva

Las probetas aportaron gran cantidad de datos cuan-tificables que, además de validar los valores de las soluciones MINVU, obligaron a ajustar los datos de las simulaciones. Este ajuste fue necesario ya que las condiciones de borde originales no correspondían a las aportadas por el método experimental (las tem-peraturas interior y exterior) las que variaron entre probetas.

Finalmente, las simulaciones aportaron nuevos datos para analizar una solución constructiva permitiendo entender de mejor manera el comportamiento de los casos de estudio, aumentando los criterios de análisis.

Su utilización permite un acercamiento y reflexión ma-yor ante el problema de los puentes térmicos durante el proceso de diseño siendo ello su mayor potencial. La precisión de los datos no necesariamente serán los esperados, pero se entiende que la simulación entre-gará datos suficientes para tomar decisiones al menos de manera más consciente e informada.

4. Conclusiones

4.1. El análisis de los detalles constructivos requieren de un estudio más profundo, abarcando compara-ciones de sus prestaciones no solo evaluando el valor U, que normalmente lo conocemos como ponderado, sino también evaluando las zonas de pérdidas de calor (puente térmico).

Utilizar la relación de 1:2 entre estas zonas como límite para el valor U, tal vez sea un adecuado parámetro si se evalúa junto a las temperaturas superficiales (las pérdidas), dado que mientras mayor sea la diferen-cia, mayor peligro existe de aparición de patologías constructivas.

La evaluación higroscópica no arrojó resultados de posibles condensaciones en los detalles analizados, al considerar el valor de la resistencia a la difusión del vapor de agua (µ) en muchos casos como adimensional (valor =1), lo cual puede llevar a errores cuando se analiza el detalle dejando este parámetro fuera.

Una exploración futura podría centrarse en la defini-ción de este valor para los materiales comunes usados en la zona 4.

4.2. El desarrollo de detalles y su simulación con Therm y Usai permite complementar la información disponible reglamentaria, aportando nuevos datos medibles y verificables que ayudan a decidir y evaluar la solución constructiva a utilizar.

Esta aproximación arroja resultados tanto en la visua-lización del comportamiento térmico de una solución constructiva como en la obtención de datos numérico posibles de ser comparados con un “caso base” (lo reglamentario).

Por ello, la visualización apunta a una comparación prestacional pero también de diseño (geometría) y materialidad.

4.3. Desarrollar una base de datos de materiales para Therm y Usai permite, a partir de un mínimo regla-mentario, proponer mejoras a los detalles norma-lizados utilizando alternativas reales, disponibles y validadas.

Esto facilita la exploración de mejoras prestacionales variando materiales; su posición dentro del muro; densidades o espesores.

La base de datos de Therm es flexible lo que permite actualizarla y expandirla según los requerimientos del usuario tanto en materiales como en Condiciones de Borde evaluando una misma solución con variables externas diferentes.

La base de datos de materiales de Therm y Usai permi-tiría una evaluación de costos al incorporar a cada uno



un valor, agregando a la elección criterios económicos, además de diseño y prestacionales.

4.4. Utilizar Therm y Usai como simuladores e incorporar un análisis en base a Planillas deCálculo permite desarrollar una sistematización en la evaluación de soluciones técnicas al cruzar datos aportados por estos diferentes medios que en-tregan variables complementarias al valor U. Así, los detalles son analizados bajo parámetros que permi-

ten diferentes comparaciones y relaciones (U; RT; Tº; Comportamiento higrotérmico; Materiales utilizados; Espesores finales; Densidades). Este paso ayuda a pre-ver resultados que podría arrojar la Cámara Térmica. En ese sentido, el prever no apunta a reemplazar este proceso experimental, sino a complementarlo al obte-ner una mirada sobre un posible comportamiento que nos acerca a lo real. La Cámara Térmica sigue siendo la mirada a la realidad física de la solución constructiva y por ello, el método experimental es irreemplazable.

5. Referencias

1. Ministerio de Vivienda y Urbanismo. CCTE: Manuales de Referencias Técnicas: Fundamentos Técnicos. Fun-damentos Técnicos CCTE_CL v2, pág. 7-12.

2. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, Artículo 4.1.10

http://www.minvu.cl/opensite_20070314093355.aspx

2. Ministerio de Vivienda y Urbanismo (31 de agosto de 2009). Listado Ofi cial de Soluciones Constructivas para Acondicionamiento Térmico del Ministerio de Vivien-da y Urbanismo Texto aprobado por resolución exentaNº 6227 (V. y U.).

3. Organization for the Promotion of Energy Technologies. Thermal Bridges in residential buildings in Denmark.

4. Theodosiou T.G., Papadopoulos A.M.(2008). The im-pact of thermal bridges on the energy demand of buil-dings with double brick wall constructions.

5. Ben Larbi A.(2004). Statistical modelling of heat trans-fer for thermal bridges of buildings.

6. Jacobo, G. J (2007). Reducción del consumo energético de edifi cios en Torre mediante atenuaciones de puentes térmicos en su envolvente, simulaciones con “QUICK II”, Alías, H. M.

7. María Inés Regodón y José Antonio Tenorio Ríos, del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torro-ja. Pérdidas de calor y formación de condensaciones en los puentes térmicos de los edifi cios.

8. Tilmans A. y Van Orshoven D. Belgian Building Re-search Institute (BBRI), Bélgica. Software and Atlases for evaluating thermal bridges.

9. Ministerio de Vivienda y Urbanismo (31 de agosto de 2009). Listado Ofi cial de Soluciones Constructivas para

Acondicionamiento Térmico del Ministerio de Vivien-da y Urbanismo Texto aprobado por resolución exentaNº 6227 (V. y U.).

10. Lawrence Berkeley National Laboratory (July 2006).Ma-nual Therm.

Otros:

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12. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, Artículo 4.1.10. Manual de Aplicación de la Reglamen-tación Térmica.

13. Heike Erhorn-Kluttig y Hans Erhorn, Fraunhofer Institu-te for Building Physics,Germany. Impact of the Thermal Bridges on the energy performance of buildings.

14. Ministerio de Vivienda y Urbanismo. CCTE: Manuales de Referencias Técnicas: Fundamentos Técnicos. Anexo A 2.2 Soluciones Constructivas para Acondicionamien-to Térmico en Muros MINVU.

15. Argentina. Ing. Msc Gallipoliti, Virgina A./Arq. M.Sc Jacobo, Guillermo J./Arq. Msc Alias, Herminia (2006). Evaluación del comportamiento térmico de compo-nentes constructivos de los edifi cios en los puntos de encuentro Estructura-Envolvente con programas com-putacionales.

16. Building System Simulation, Essam Omar Assem Arab Fund for Economic and Social Development, Arab Or-ganizations Headquarters Building, Shuwaikh, Kuwait



Durability and Corrosion

Study of reinforced blended

mortars with tuff and sugar

cane bagasse ash

Estudio de durabilidad y corrosión en morteros armados adicionados con toba volcánica y ceniza de bagazo de caña de azúcar

Autores

VALENCIA, G. Universidad del Valle,[email protected], Colombia

MEJÍA DE GUTIÉRREZ R. Universidad del Valle,[email protected], Colombia

BARRERA J. Universidad del [email protected], Colombia

DELVASTO S. Universidad del Valle, [email protected], Colombia




páginas: 112 - 122 [ 113 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Valencia, G. et al ]

Resumen En este artículo se presenta la evalua-ción de las propiedades mecánicas y de durabilidad de morteros adiciona-dos con una toba volcánica (TV) y una ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBC), incorporadas en proporción del 10 y 20%, en sustitución al cemen-to. Los materiales de partida fueron caracterizados mediante las técnicas de Fluorescencia de Rayos X, Granu-lometría Láser, Difracción de Rayos X (DRX), y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB y EDS). En los morteros adicionados se realizaron ensayos de resistencia mecánica a la compresión y de durabilidad (absorción y porosi-dad, succión capilar, permeabilidad a cloruros y susceptibilidad a la carbona-

tación). Adicionalmente, se estudio el comportamiento frente a la corrosión del acero estructural embebido, expues-tos a tres diferentes medios: agua po-table, cloruro de sodio (NaCl al 3,5%) y presencia de CO2; este último se rea-lizó en cámara ambiental a condiciones aceleradas (1% CO2, 100% CO2, 65 H.R. % y 25 °C). Se comprueba que las características de la adición (composi-ción química, morfología y tamaño de partícula) son determinantes para el adecuado desempeño del material, y que la resistencia mecánica no es un parámetro que permita concluir acerca de la durabilidad de un material en un determinado ambiente de exposición.

Palabras clave: Ceniza de bagazo de caña de azúcar, toba volcánica, cementos adicionados, propiedades mecánicas y corrosión.

Abstract This article presents the evaluation of mechanical and durability properties of blended mortars. A volcanic tuff (TV) and an ash of sugar cane bagasse (CBC), in proportion of 10 to 20% cement replacement, were used as addit ions. The raw materials were characterized using the techniques of X-Ray Fluorescence, laser granulometry, X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM and EDS). In blended mortars were performed compressive strength and durability t e s t s ( ab so rp t i on and po ro s i t y, capillary suction, chloride permeability and susceptibi l i ty to carbonation). Additionally, the corrosion behavior of

embedded structural steel exposed to three different media: water, sodium chloride (NaCl 3,5%) and presence of CO2, was studied. The susceptibility to carbonation was real ized in an environmental chamber at accelerated condit ions (1 % CO2, 100% CO2, 65% RH and 25 °C). It is found that the characterist ics of the addit ion (chemical composition, morphology and particle size), are crucial for a good performance of the blended mortars, and the mechanical strength is not a definitive parameter to conclude about the durability of a material in a given environment exposure.

Keywords: Ash of sugar cane bagasse, volcanic tuff, blended mortars, mechanical properties and corrosion.



páginas: 112 - 122 [ Valencia, G. et al. ]

1. Introducción

En el sector de la construcción civil, los materiales com-puestos más utilizados son los concretos reforzados con acero estructural, estos materiales deben tener un desempeño óptimo para evitar daños catastróficos como la falla de una estructura, por ejemplo, debido al debilitamiento de sus refuerzos de acero por la ac-ción corrosiva de un ambiente fuertemente agresivo como el marino y el industrial que presentan agentes nocivos tales como el ion cloruro y el dióxido de car-bono. Al respecto, los diferentes países han desarro-llado normativas que, con base en la clasificación del ambiente de exposición, sirven de guías orientativas para la adecuada selección de los materiales y diseño del concreto. En particular, la norma colombiana NTC 5551, de forma similar a la norma europea EN 206-1, subdivide los ambientes en las siguientes clases: Tipo 1, Ningún riesgo de corrosión o ataque; Tipo 2, Corrosión inducida por carbonatación; Tipo 3, Corro-sión inducida por cloruros del agua de mar; Tipo 4, Corrosión inducida por cloruros diferentes a los que provienen del agua de mar; Tipo 5, Ataque por hielo y deshielo; Tipo 6, Ataque químico; y Tipo 7, Desgaste. Acorde al tipo de ambiente, la acción sobre el material será de tipo físico o de naturaleza química y podrá causar desde aparición de manchas y eflorescencias, agrietamiento, delaminación hasta el colapso final de la estructura.

Una característica del concreto que controla el ingreso de los agentes agresivos es su permeabilidad, en este sentido la incorporación de las adiciones puzolánicas al cemento han sido una estrategia exitosa para combatir el problema de la corrosión en materiales cementi-cios, debido particularmente a las modificaciones microestructurales que generan y la disminución de la permeabilidad, como consecuencia del refinamiento de poro y el incremento en la tortuosidad del sistema (Almeraya et al., 1998; López y Castro, 2010). En este sentido, en el presente trabajo se estudia el desempe-ño de dos materiales: una ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBC) y una toba volcánica (TV), con el fin de determinar el potencial de utilizarlas como adiciones puzolánicas al cemento e incrementar la vida útil del acero de refuerzo en presencia de Cloruros y de CO2.

Cabe anotar, que este tipo de adiciones, de diferentes procedencias y calidad, han sido estudiadas por otros investigadores quienes reportan contribuciones tanto en la fluidez de las mezclas como en las resistencias mecánicas y de durabilidad de los morteros y concretos (Abali et al., 2006; Ghrici et al., 2007; Ganesan et al., 2007, Oliveira et al., 2010). Particularmente se han desarrollado un número apreciable de estudios para

investigar la viabilidad de utilización de la ceniza de bagazo de caña como adición al cemento (Martinera et al., 1998; Paya et al., 2002; Singh et al., 2000; Cor-deiro et al., 2008, 2009); al respecto, hay un acuerdo común en que este material actúa como una puzolana, pero su actividad es función de varios parámetros entre los cuales se debe considerar su composición química, en especial el contenido de inquemados, el tamaño de partícula y su superficie especifica (Cordeiro et al., 2008). Asimismo se afirma que la temperatura de quema es determinante en su desempeño; Morales et al. (2009), reportan que la temperatura de calcinación no solo influencia la composición mineralógica de las cenizas sino también la morfología y la composición individual de sus partículas. Fairbairn et al. (2010) realizó un estudio complementario, desde el punto de vista del efecto ambiental, y reporta que el reemplazo de cemento por CBC reduce las emisiones de CO2 a la atmósfera en proporciones apreciables. El porcentaje óptimo de adición de CBC recomendado por la mayo-ría de investigadores para lograr incrementos resisten-tes, permeabilidad reducida al agua, mayor resistencia a la penetración de cloruros y una menor liberación de calor en la mezcla de cemento es del 20% (Chu-silp et al., 2009; Ganesan et al., 2007; Horsakulthai et al., 2011). En una investigación reciente, Rukzon y Chindaprasirt (2012) afirman que es posible obtener concretos de alta resistencia a la compresión (65.6-68.6 MPa a 28 días) con la adición del 30% de CBC, siempre y cuando el tamaño de partícula sea reducido; en este sentido coincide con las investigaciones realiza-das por Cordeiro et al. (2009), quienes adicionalmente reportan que una molienda ultrafina de la adición puede a su vez modificar positivamente el compor-tamiento reológico de las mezclas. Sin embargo, es importante anotar que no todas las CBC presentan igual comportamiento, Frías M. et al. (2011) evalua-ron CBC procedentes de la cogeneración eléctrica de diferentes fuentes en Brasil y reportan calidades muy variables. Cabe anotar, que otros investigadores han utilizado la ceniza de bagazo de caña también como reemplazo de arena en concretos y en la producción de materiales cerámicos con resultados igualmente positivos (Sales and Araujo 2010; Souza et al., 2011).

Los materiales de origen volcánico tales como las to-bas han sido igualmente objeto de estudio y se inclu-yen dentro de la clasificación de puzolanas naturales (tipo N) en la Norma ASTM C618. Básicamente están compuestas por material vítreo y otros minerales; sus características físicas y químicas, así como sus efectos al incorporarse al cemento como adición están directa-mente relacionados con la fuente de origen (Liebig and Althaus 1998; Siddique 2008). Acorde a las caracterís-ticas físicas de la toba, particularmente el contenido vítreo, se han desarrollado materiales cementicios con



elevados porcentajes de adición (50%) que presentan propiedades mecánicas comparables al concreto sin adición y mejores desempeños en ambientes agresivos (Uzal and Turanli 2003; Turanli 2005).

2. Materiales y proceso experimental

Los materiales utilizados en el presente estudio co-rresponden a una ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBC) y una toba volcánica (TV) procedentes de las Antillas (Guadeloupe), y un cemento portland tipo III colombiano (OPC), cuyas características fisicoquímicas se presentan en la Tabla 1. La CBC y TV fueron incor-poradas en la mezcla en diferentes proporciones (0%, 10% y 20%) como reemplazo del cemento portland. Estos materiales se caracterizaron mediante técnicas de fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB); además se determinó el tamaño de partícula promedio, por la técnica de granulometría láser, este parámetro se ha incluido en la tabla 1. Los morteros se elabora-ron con arena de Ottawa en proporción Cementante: Arena de 1:2,75, con una relación agua/cementante (a/C) constante de 0,5. Las probetas se curaron su-mergidas bajo agua saturada con Ca(OH)2, por un periodo de 28 y 90 días a temperatura ambiente. La resistencia mecánica a compresión se evaluaron a las mismas edades.

Tabla 1. Propiedades físicas y químicas de los materiales utilizados

Composición, % OPC TV CBC

SiO2 20,47 46,03 70,05

Al2O3 7,12 21,60 8,50

Fe2O3 2,36 10,46 3,10

MgO 4,05 8,67 0,50

CaO 63,26 11,76 2,80

Pérdidas por Calcinación 1,31 0,59 8,50

Tamaño Partícula Promedio, µm

22,92 48,08 13,98

Para la realización de los ensayos se siguieron las normas correspondientes: resistencia a la compresión (ASTM C109), propiedades de Absorción y porosi-dad (ASTM C642), Succión Capilar (SIA 162/1, ASTM

C1585), y permeabilidad a Cloruros (ASTM C1202). La susceptibilidad a la carbonatación se evaluó en especímenes de morteros curados durante 28 días y el ensayo se realizó en una cámara bajo condiciones aceleradas (1% CO2, 65% HR y 25 ºC); el avance de la carbonatación se determinó mediante la aplicación de un indicador de pH (fenolftaleína), procedimiento que se llevó cabo por periodos de 15 días hasta los 150 días de exposición.

Para los ensayos electroquímicos se utilizaron morte-ros reforzados a nivel central con una varilla de acero corrugado de bajo contenido de carbono y con un diámetro de 6,35 mm. Previamente al acero se le rea-lizóun preacondicionamiento superficial, que consistió en un decapado y posterior recubrimiento con pintura anticorrosiva para delimitar la zona de exposición, tal como se observa en la figura 1. Luego del curado por 28 días, las muestras fueron expuestas a tres medios: agua potable, NaCl 3,5% y CO2 al 1% por 150 días. En estas probetas se determinó el potencial de corrosión del acero de refuerzo acorde a la norma ASTM C876, y la velocidad de corrosión mediante la técnica elec-troquímica de Resistencia a la polarización lineal (LPR). Para la realización de la técnica LPR se siguió la norma ASTM G59, con barridos de potencial en un rango de ± 20 mV; como electrodo de referencia se utilizó un electrodo de Plata/Cloruro de Plata (Ag/AgCl). Para el cálculo de la corriente de corrosión se utilizó como valor de B = 0,026 V, que simula condición activa.

Figura 1: Montaje del mortero reforzado




3. Resultados y discusión

Caracterización de las adiciones: CBC y TV

Según la composición química de CBC y TV, presentada en la tabla 1, se puede apreciar que cumplen con lo es-pecificado por la norma ASTM C618 para materiales de adición de carácter puzolánico, la cual especifica que la sumatoria de los óxidos SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 debe ser igual o superior al 70%, además que la pérdida por calcinación debe ser inferior al 10%. La morfología de la CBC, observada por MEB, muestra la combinación de partículas esféricas con partículas irregulares (Figura 2(a)), esto se atribuye a que el material procede de una caldera industrial que utiliza como combustible mezcla de carbón y bagazo de caña, por esta razón se pueden observar cenoesferas y pleuroesferas, que contienen dentro de ellas diminutas esferas (Figura 2(b)), lo cual es típico de la morfología de las cenizas volantes obtenidas en el proceso de combustión del carbón. En la TV se presenta una morfología de tipo prismática (Figura 2(c y d)).

La caracterización mineralógica de CBC, mediante la técnica de difracción de rayos X (Figura 3), indica que posee fase amorfa y fase cristalina, esta última enriquecida en cuarzo (Q), aunque también se puede apreciar la presencia de cristobalita (Cr) y calcita (Cc). En TV se encontraron fases cristalinas tales como cuar-zo (Q), feldespatos (F) y montmorillonita (M).

La actividad puzolánica se evaluó según la norma ASTM C 311, comparando la resistencia a la compre-

sión de morteros de cemento portland adicionados con el 20% de CBC y TV, en sustitución del cemento, y la de los morteros sin adición (0%); se obtuvo un índice de actividad puzolánica de 78,74% para CBC y de 99,05% para TV, superando así, en ambos casos, el 75% establecido por la norma ASTM C 311.

Resistencia mecánica a compresión de morteros adicionados

La resistencia a la compresión se determinó a edades de curado de 28 y 90 días, los resultados obtenidos se presentan en la tabla 2. A los 28 días de curado se observa que los morteros adicionados con el 10%, tanto de CBC como de TV, presentan un incremento en la resistencia a la compresión en comparación al mortero sin adición, en órdenes de hasta un 42%; este efecto en las propiedades mecánicas ha sido re-portado por otros investigadores (Águila y Sosa, 2008; Ganesan et al., 2007). A los 90 días de curado los morteros adicionados con el 20% de TV presentaron un incremento en la resistencia a la compresión de un 78,5% en comparación a los morteros sin adición; los correspondientes del 20% CBC presentan un menor desarrollo resistente, con un incremento del orden del 7,6%. En general, se destaca el mayor desarrollo resistente de los morteros adicionados con TV, lo cual concuerda con la mayor actividad puzolánica reportada por esta adición, independientemente de su mayor tamaño de partícula (Tabla 1). Cabe anotar que, para la evaluación de las propiedades de durabilidad se seleccionaron las mezclas con 10% de adición.

Figura 2. SEM de CBC y TV Figura 3. DRX de CBC y TV



Permeabilidad a cloruros

La permeabilidad al ion cloruro se determinó con base en la norma ASTM C1202, que corresponde a un ensayo de penetración rápida de cloruros (RCPT), esta es una medida eléctrica que consiste en el mo-nitoreo de la corriente eléctrica que pasa a través de un espécimen cilíndrico de concreto, al aplicar 60V durante 6 horas; la integración de la gráfica corriente vs tiempo da origen a la medida de la carga pasada en unidades de culombios. Con base en los valores de carga pasada, la permeabilidad de los concretos se clasifica en alta, moderada, baja, muy baja o des-preciable. Esta clasificación no puede ser aplicada en el presente estudio debido a que el ensayo se ha realizado en morteros, sin embargo, el concepto, de mayor o menor resistencia al paso de los iones cloru-ros, continúa siendo válido. Los resultados obtenidos en el ensayo (Tabla 4) indican un aumento en la carga para los morteros adicionados con CBC y TV de 2 y 5 veces, respectivamente, comparados al mortero de referencia. De igual manera la medida de la resistividad de los morteros, es significativamente inferior. Los resultados anteriores concuerdan con lo observado en los ensayos de absorción de agua para los morteros adicionados utilizados en la presente investigación (Ra-mezanianpour et al., 2011). Los resultados aquí repor-tados son contrarios a los esperados para materiales de adición con características puzolánicas comprobadas, como es el caso de la TV (Ganesan 2007; del Valle A. et al., 2010; Quintana 2005, Torres and Mejía, 2007); este comportamiento es atribuido a su morfología y excesivo tamaño de partícula. Lo anterior, indica la importancia de las características fisicoquímicas de los materiales de adición y ponen en duda la calidad de los materiales evaluados en este trabajo como po-tencial recubrimiento frente a la corrosión del acero estructural, particularmente en presencia de cloruros (Andrade 2009).

Tabla 4 Resultados de Permeabilidad a Cloruros y Resistividad

EnsayoAdición, %

0 10 TV 10 CBC

Carga (Culombios) 1411 7208 3008

Resistividad (Ω.m) 136,73 26,07 54,82

Susceptibilidad a la penetración de CO2

La resistencia a la penetración de CO2 se determinó mediante la exposición de los especímenes en cámara

Tabla 2. Resistencia a la Compresión de Morteros

Resistencia a la Compresión

(MPa)

Adición, %

010

CBC20

CBC10 TV 20 TV

28 días 12,28 16,16 9,67 17,45 12,16

90 días 16,07 19,12 17,29 21,03 28,69

Estudios de durabilidad de morteros adicionados

Ensayos de absorción al agua

En la tabla 3 se presentan los resultados obtenidos en el ensayo de absorción y porosidad total, evaluados me-diante la aplicación de la norma ASTM C642, para los morteros de referencia (0% de adición) y los morteros adicionados en un 10%, a una edad de curado de 28 días. Se puede observar que estos últimos presentan un ligero incremento en los valores de estas propiedades respecto a las reportadas por el mortero sin adición, aunque entre sí son aparentemente similares en su des-empeño. Sin embargo, el ensayo de absorción capilar (SIA 162/1, ASTM C1585), incluido en la misma tabla, muestra un mayor coeficiente de absorción capilar (K) y una menor resistencia a la penetración de agua (m) para los morteros adicionados con TV contrastando con la mayor resistencia mecánica reportada por estos; mientras para CBC estos valores son aproximadamente de orden similar a los reportados por el mortero pa-trón. Estos resultados se atribuyen al mayor tamaño de partícula de la toba volcánica, el cual es el doble del cemento y casi cuatro veces el correspondiente de CBC. Teniendo en cuenta los incrementos en resis-tencia mecánica con el tiempo de curado se esperaría igualmente que estas propiedades de absortividad sean mejoradas concordando con resultados reportados por otros investigadores (Siddiqui 2011; Chusilp et al., 2009; Quintana 2005; y Ganesan et al., 2007).

Tabla 3. Resultados de ensayos de permeación

EnsayosAdición, %

0 10 TV 10 CBC

Absorción total, % 7,55 8,58 8,77

Densidad aparente, Kg/m3 2460 2390 2470

Vol. poros permeables, % 15,64 17,02 17,81

K (Kg/m2s1/2) 0,004 0,007 0,004

m (10-8 s/m2) 6,04 2,7 6,35

Porosidad efectiva εe (%) 9,75 11,04 10,33




ambiental a condiciones de 1% CO2, 65% HR y 25 ºC. El coeficiente de difusión del CO2 puede ser obtenido por medio de la ecuación (1), donde X representa la profundidad del frente de carbonatación (mm) a un tiempo de t (s) de exposición y KC representa el coefi-ciente de carbonatación y por tanto la velocidad de penetración, expresada en mm/s1/2.

X =Kc×√t (1)

En la figura 4a se presenta la penetración de CO2 en los morteros hasta los 150 días de exposición; se aprecia un comportamiento similar para los morteros adicionados entre sí y una mayor susceptibilidad a la carbonatación con respecto al mortero patrón. Cabe anotar, que a medida que transcurre el tiempo de ex-posición, en todos los especímenes, aparentemente se presenta una reducción en la velocidad de penetración la cual puede atribuirse a un efecto de taponamiento de poros por precipitación del carbonato de calcio producido en la reacción de carbonatación (Figura 4b); este efecto aparentemente tiende a estabilizar el coeficiente de carbonatación (KC). El tiempo de exposición al que ocurre este efecto y el valor del KC es función del tipo de material, tal como se puede apreciar en la Figura 4b.

Figura 4. (a) Penetración de CO2 en mm, (b) KCO2 (mm/s1/2)

Ensayos Electroquímicos

Medio de Exposición: Agua

Como se puede observar en la figura 5 los morteros con adición de TV y el mortero sin adición, muestran un potencial entre -100 a -250 mV en los primeros quince (15) días ubicándose en la región del diagra-ma correspondiente a la zona incierta de corrosión, mientras la muestra adicionada con CBC se encuen-tra en la zona donde hay una alta probabilidad de

corrosión. Posteriormente y hasta el final del ensayo el mortero sin adición presenta el potencial de corro-sión más negativo (aproximadamente -516 mV). La variación de la corriente de corrosión (Icorr) con el tiempo de exposición, presentada en la misma figura, corrobora lo anterior, ya que se puede apreciar que los morteros adicionados hasta edades de inmersión de aproximadamente 135 días presentan una corriente de corrosión (Icorr) despreciable (inferior al 0,1 μA/cm2), y posteriormente se ubican en la región de baja corrosión (entre 0,1 y 0,3 μA/cm2), comportamiento que, en términos generales, se mantiene hasta el final del ensayo (375 días). Con lo anterior se concluye que las dos adiciones actúan satisfactoriamente en este medio, lo cual se comprueba cuando la probeta es cortada transversalmente (Figura 6) para observar los aceros de refuerzo, donde se aprecia que la zona expuesta al ataque corrosivo está libre de óxido en todas las muestras evaluadas.

Figura 5. Potencial de Corrosión y corriente de Corrosión (Medio Agua)

Figura 6. Aceros de Refuerzo, muestras inmersas en Agua Potable

Medio de Exposición: NaCl 3,5%

El comportamiento a la corrosión de los morteros sin adición y con adición de CBC y TV luego de la inmersión parcial en NaCl 3.5% (figura 7) difiere del expresado para los especímenes inmersos en agua, ya que, en general, a lo largo del tiempo de evaluación todos los morteros se ubican en la región de mayor



probabilidad de corrosión y con tendencia a presentar velocidad de corrosión moderada (valores de corriente de corrosión entre 0,5 y 1,0 μA/cm2). Concuerdan en alto grado estos resultados con los obtenidos en el ensayo de permeabilidad a cloruros. Algunos in-vestigadores han atribuido este efecto, contrario al esperado en morteros con adiciones puzolánicas, a la mayor capilaridad de los morteros como consecuencia de las características propias de la adición no corre-gidas previamente a su utilización, tal como el mayor tamaño de partícula observado en la toba volcánica (Benjamín et al., 2000; Hossain and Lachemi, 2004). El desempeño negativo de los morteros adicionados en este medio agresivo se ve reflejado en los aceros extraídos al final del ensayo tal como se aprecia en la figura 8, donde se pueden observar capas de óxido y puntos iniciales de picado. Cabe resaltar aquí el mejor desempeño del mortero de referencia.

Figura 7. Potencial y corriente de Corrosión en NaCl 3,5%

Figura 8. Aceros de Refuerzo de las diferentes muestras inmersas en NaCl 3,5%

Medio de Exposición: CO2

En la figura 9 se presenta el comportamiento de los morteros en presencia de CO2 (1% CO2, 60% HR y 25 °C); cabe anotar que después de los 150 días de ensayo las muestras se colocaron en un ambiente saturado de CO2 al 100%, para procurar su carbona-tación completa.

A diferencia de los dos medios anteriormente evalua-dos, agua y NaCl 3,5%, se aprecia que las tres mezclas en presencia de CO2 presentan un comportamiento similar y, en términos generales, satisfactorio. El po-tencial de corrosión reportado por los morteros con y sin adición en los primeros 150 días presenta una tendencia hacia valores más positivos (rango de -250 a 50 mV), indicando que la corrosión es incierta o tiene muy baja probabilidad de ocurrir. Concuerdan estos resultados con la velocidad de penetración del CO2 evidenciada en los morteros, ya que a esta edad la pro-fundidad de carbonatación de los especímenes fue de 14,2 mm para los adicionados y para las muestras sin adición de 5,7 mm, lo cual indica que la carbonatación no ha alcanzado aun la superficie del acero, puesto que el espesor de recubrimiento era de 22 mm, y en consecuencia no es de esperar inicio de la corrosión.

Después de los 150 días se observa un incremento sig-nificativo del potencial de corrosión del acero en todos los morteros evaluados. Esto indica que los productos de la carbonatación han contribuido en el material al taponamiento de los poros y en vez de perjudicar el proceso de corrosión del acero estructural han servido de control al ingreso de mayor proporción del agente agresivo. Esto se pudo corroborar al evaluar la corrien-te de corrosión, tal como observa en la misma figura 9, donde la tendencia de las curvas es a ubicarse, prácticamente a lo largo de todo el ensayo, en la zona de corrosión despreciable (Icorr menor a 0,1 μA/cm2). Cabe anotar, que aunque el comportamiento aquí evi-denciado es similar para todas las mezclas evaluadas se destaca el mejor desempeño en este medio de las probetas de OPC adicionadas con CBC y TV.

Figura 9. Potencial y corriente de Corrosión en presencia de CO2

Con base en estos resultados podría considerarse que el efecto de tener un mayor tamaño de poros capilares en las mezclas adicionadas no resultó ser un parámetro decisivo en su comportamiento frente a la carbonatación; y por el contrario, a diferencia de otros




materiales su susceptibilidad es mínima. La observa-ción de los especímenes al final del estudio (375 días) muestra que los aceros se encuentran perfectamente libres de productos de corrosión.

Figura 10. Aceros de Refuerzo de muestras sometidas a Carbonatación

4. Conclusiones

De los resultados obtenidos en este estudio se puede concluir:

• Las adiciones evaluadas, ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBC) y toba volcánica (TV), presentan actividad puzolánica, destacándose TV con un índice del 99%, con respecto al 78.7% reportado por CBC.

• Un porcentaje del 10% en sustitución del cemen-to, de cualquiera de las adiciones, incrementa la resistencia a compresión del mortero a edad de 28 días de curado en órdenes hasta de un 42%. Al incorporar un 20% de adición el incremento resistente se hace más visible a edades más largas, así el mortero adicionado con 20% de TV reporta valores superiores al material de referencia hasta en

un 80%; por el contrario los adicionados con 20% de CBC igualan la resistencia del mortero patrón.

• Contrasta este mayor desempeño resistente del mortero adicionado con TV con su mayor permeabi-lidad capilar y por ende mayor permeabilidad al ion cloruro; propiedades en las cuales presenta un mejor comportamiento la ceniza de bagazo. Estas características conducen a explicar los resultados obtenidos en los ensayos electroquímicos, relacio-nados al comportamiento a corrosión de aceros embebidos en este tipo de morteros adicionados. Así, aunque el comportamiento a la corrosión en los medios de agua potable y de CO2 es satisfactorio, no es así en presencia de NaCl al 3.5%.

• Con base en lo anterior, se resalta que las carac-terísticas del material, no solo de composición sino de morfología y tamaño de partícula son determinantes para un buen desempeño frente a propiedades de durabilidad, por ende se comprobó que la resistencia mecánica no es un parámetro definitivo que permita concluir acerca de la dura-bilidad de un material en un determinado ambiente de exposición.

5. Agradecimientos

Los autores del presente trabajo de investigación agra-decen a Colciencias (Programa EcosNord), la Universi-dad del Valle, la Université des Antilles et de la Guyane (Guadaloupe), el Centro de Excelencia de Nuevos Materiales y el Patrimonio Autónomo Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología y la Innovación Francisco José de Caldas – COLCIENCIAS, Contrato RC - No. 275-2011, por el apoyo concedido para la ejecución del proyecto.



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High indoor comfort

and very low energy

consumption through the

implementation of the

Passive House standard in

Chile

Alto confort interior con mínimo consumo energético a partir de la implementación del estándar “Passivhaus” en Chile

Autores

HATT T. Universidad del Bío-Bío,[email protected]ón, Chile

SAELZER G. Universidad del Bío-Bío,Concepción, Chile

HEMPEL R. Universidad del Bío-Bío,Concepción, Chile

GERBER A. Hochschule Biberach,Biberach, Alemania





páginas: 123 - 134[ Hatt T. et al. ]

Resumen El ahorro de energía es un tema muy de actualidad en Chile. En el sector de la construcción hay dos frentes diver-gentes: por un lado, el confort interior insuficiente y por otro, el alto consumo energético, ambos son producto de una edificación deficiente. En este artículo, se demuestra que en el centro-sur de Chile, se puede ahorrar aproximada-mente un 80% de energía en climati-zación con construcciones que cumplen con el estándar energético, llamado es-tándar “Passivhaus”. Junto con la posi-bilidad de bajar la demanda energética, se aumenta también el confort interior. A través de un estudio paramétrico, se analizaron las distintas configuraciones necesarias para cumplir con el estándar,

en tres ciudades del centro-sur de Chile. La tecnología para construir casas “Pas-sivhaus”, tales como, una alta aislación térmica, las ventanas termo paneles Low-E con argón o, los sistemas de ventilación con recuperación de calor, ya son accesibles en el mercado nacio-nal. Sin duda, las construcciones que logran el estándar “Passivhaus” tienen un costo de inversión inicial más alto que una construcción tradicional, pero, por otro lado, una casa “Passivhaus” tiene un costo de operación aproxima-damente de un 80% más bajo que una vivienda tradicional. Con este ahorro en los costos de la operación, se recupera el costo inicial más alto, durante la vida útil de la construcción.

Palabras clave: Eficiencia energética, casas pasivas, estándar Passivhaus, confort interior, ahorro energético, sustentabilidad.

Abstract Energy saving is a very actual topic in Chile. There are two divergent realities in the construction sector: on the one hand an inadequate indoor comfort and on the other hand, very high energy consumption. Both are products of a low building quality. This article shows that it is possible to save about 80% of energy in space heating and cooling in the central-south area of Chile, with low energy buildings which reach the so-called Passive House Standard. Using this standard not only reduces the energy demand of buildings but also increases its internal comfort conditions. A parametric study was utilized in order to analyze, by what means it is possible

to meet the standard in three cities in central-south of Chile. The technologies to build Passive Houses, such as high thermal insulation, double glazing windows with Low-E coating and argon filling or ventilation systems with heat recovery are already available in the market. Without doubt, the buildings that achieve the Passive House standard have an higher initial investment cost than a traditional building, but on the other hand, a Passive House has approximately 80% lower running costs than a traditional building. Due to this saving in operating costs, it is possible to economize the higher initial cost during the lifetime of the construction.

Keywords: Energy efficiency, Passive House Standard, Passivhaus, interior comfort, energy savings.


páginas: 123 - 134 [ 125 Revista de la ConstrucciónVolumen 12 No 22 - 2012 [ Hatt T. et al. ]

1. Introducción

El ahorro de energía es un tema muy de actualidad en Chile. Los precios de la energía están en permanente alza, suben cada año debido a la dependencia energé-tica de nuestro país y a la especulación de los mercados externos. Hoy, el sector residencial en Chile, consume aprox. un 25% de la energía total del país y bajar los consumos a niveles mínimos, permitirá independizarse de la fluctuación de precios de los combustibles, como el gas y el petróleo.

En Chile hay dos frentes divergentes: por un lado, el confort interior insuficiente y por otro, el alto consumo energético, ambos son producto de una edificación deficiente. Corregir estas deficiencias significa altos beneficios, por un lado, se logra elevar el estándar energético dado, aumentando el confort interior en casas donde no existen recursos económicos para cli-matizar y, por otro, bajan los gastos en climatización, sin bajar el nivel de confort térmico interior, en las edificaciones del nivel socioeconómico más alto.

Hoy existe una gran preocupación del Estado por lograr un mejor desempeño térmico de las edifica-ciones en Chile. Se introdujo, en la década pasada, una reglamentación térmica que define las exigencias térmicas mínimas para la envolvente de viviendas, específicamente, los complejos de techumbre, muros y pisos e implementará, a corto plazo, un sistema de certificación energética de viviendas (MINVU 2008) o (HERNÁNDEZ and MEZA 2011) con el objetivo de bajar el consumo energético y aumentar el confort térmico, para así, reducir las enfermedades resultado de las malas condiciones de habitabilidad, desde los simples resfríos hasta los serios problemas bronco-pulmonares.

Desde hace mucho tiempo existe, en el diseño arqui-tectónico, una preocupación por mejorar la calidad de vida de los habitantes, garantizando o mejorando el confort interior. Existen muchas publicaciones en las últimas décadas sobre diseño pasivo, donde se pretende incorporar estrategias para aprovechar al máximo la energía pasiva, como por ejemplo las ganancias solares.

Hoy en día, la tendencia es incorporar sistemas pasivos y complementarlos con sistemas activos. Esta comple-mentariedad, se logra de mejor forma, a través de un diseño integrado de la envolvente y de los sistemas de climatización (Miotto, García et al. 2011).

La certificación energética de las viviendas tiene, en comparación al diseño pasivo, una clasificación definida, similar a la clasificación utilizada para los refrigerado-res, donde se informa al consumidor, a través de una etiqueta, la eficiencia energética del equipo. Para la cla-

sificación de la edificación, primero se debe establecer un estándar, para lo cual se debe definir una escala, por ejemplo, de la A a la G, donde A es el estándar más efi-ciente y G el menos eficiente, en términos de consumo energético. Revisando el estado de arte internacional, se puede observar que existen algunos estándares ener-géticos de edificaciones muy exigentes, que pretenden lograr un máximo en eficiencia energética, que son aun más altos que el mejor (A) y que definen distintas escalas de exigencias, por ejemplo, existen estándares de bajo consumo, de cero consumos hasta de plus energía lo que significa, que la casa produce más energía que la que consume. Estos estándares se logran generalmente con sistemas de generación de energía eléctrica in situ, como los paneles fotovoltaicos los cuales tienen hasta ahora, un precio de inversión alto.

Uno de los estándares de bajo consumo energético, es el estándar “Passivhaus”, implementado y desa-rrollado en Alemania en los año 90 por Wolfgang Feist y Bo Adamson (Feist 2006). En comparación al diseño pasivo, el estándar “Passivhaus” es un estándar energético definido con límites fijos. Este estándar ha logrado un aumento significativo en popularidad, por ejemplo, en Europa central se construyeron desde al año 1991 hasta hoy, más que 30.000 casas pasivas o “Passivhaus” (Espenberger and Mekjian 2011) y hoy se ha logrado difundir en todo el mundo. Este año 2012, se realizó la 16ª versión del congreso internacional de las casas pasivas donde participaron más de mil personas organizado por el instituto de casas pasivas Darmstadt. En paralelo existen diferentes organizacio-nes alrededor del mundo, para promover el estándar, como la plataforma edificación Passivhaus en España.

La definición original del estándar Passivhaus, según Feist: (Feist 2005) es, “Una casa pasiva es una edi-ficación en la que el confort térmico (ISO 7730) se garantiza solo por calentamiento o refrigeración del flujo de aire, de acuerdo al volumen de intercambio requerido para la calidad del aire interior (DIN 1946) sin utilizar ayuda adicional al aire recirculado“.

La definición de Feist, se puede precisar, según (Krick, Feist et al. 2011), independiente del clima. Hay que cumplir algunos requisitos, los cuales pretenden, en primer lugar, garantizar un confort interior alto y, en segundo lugar, bajar el consumo energético. Para lograr el estándar, los criterios son:

• Garantizar condiciones de confort térmico en in-vierno y en verano, limitando la demanda energé-tica de calefacción y refrigeración.

• Posibilidad de climatizar solo con el caudal de aire exterior, necesario para lograr las condiciones de higiene del aire interior.




• Limitar la temperatura mínima de la superficie interior de la envolvente para evitar el riesgo de condensación y el crecimiento de moho.

• Limitar la temperatura mínima de la superficie in-terior de la envolvente para garantizar un confort térmico interior alto.

• Limitar la velocidad de aire para no tener el efecto negativo de sentir una corriente de aire.

• Limitar las infiltraciones de aire por medio de una alta hermeticidad de la envolvente (muros, venta-nas y puertas), además de las aberturas que dan paso a las instalaciones.

• Limitar el consumo energético de energía primaria.

Con los puntos descritos anteriormente y la experien-cia de 20 años en la construcción de casas pasivas, se establecieron las siguientes condiciones límites para Europa central (Gantioler 2010): “Se cumple el están-dar Passivhaus, si se consiguen todos los parámetros de los siguientes requisitos”:

• Demanda máxima para calefacción de 15 kWh/m2a• Demanda máxima para refrigeración de 15 kWh/m2a• Para edificios calefaccionados y refrigerados por

aire, se acepta como alternativa, también, el con-seguir una carga suplementaria, para frío y calor, menor de 10 W/m2.

• Hermeticidad de n50 no superior a 0,6/h, valor obtenido mediante el test de presurización “Blower Door”.

• Un consumo de energía primaria para todos los sistemas (calefacción, refrigeración, ACS, electri-cidad, auxiliar etc.) no superior a 120 kWh/m2a

• Temperaturas superficiales interiores de la envol-vente térmica durante invierno >17 ºC

• La superficie de referencia (superficie neta) debe ser calculada según protocolo Passivhaus.

Estos límites son definidos para Europa central y mues-tran su validez en edificaciones construidas y moni-toreadas, como por ejemplo, en los proyectos (Feist, Peper et al. 2001; Schnieders and Hermelink 2006).

En Chile no hay difusión sobre el estándar “Passivhaus” y menos, su adaptación al clima chileno, dado que existen muy pocos ejemplos de edificios construidos. Uno de ellos es una sucursal del banco BCI en Santiago (Huenchuñir 2011). No existe información científica que establezca cómo adaptar el estándar Passivhaus a las condiciones locales chilenas y tampoco estudios sobre la factibilidad de la implementación masiva de este es-tándar. En el presente estudio se logró aclarar algunos de estos aspectos, que permitirán adecuar el estándar, a condiciones locales. Además se desarrollaron algunas recomendaciones para el diseño de casas “Passivhaus” en tres ciudades diferentes en el centro sur de Chile.

2. Metodología

En el marco de esta investigación, se creó una base teórica, con el objetivo de facilitar la implementación en Chile del estándar Passivhaus, dado que en el país no se han hecho los estudios necesarios. En muchos países, al igual que en Chile, no existe una experiencia práctica en el diseño y construcción de casas pasivas, como se ha desarrollado ya hace bastante tiempo en Europa central. Por lo tanto, el proceso de diseño y construcción de una vivienda Passivhaus en Chile es, actualmente, un largo proceso de prueba-error, que se desarrolla a través de un complejo análisis del balance energético de la vivienda, en un periodo de tiempo significativo. Este proceso puede sugerir cambiar parte del diseño, analizar nuevamente el balance energético, comprobar si cumple con el estándar y si no, repetir el proceso las veces que sea necesario. En general, estos procesos de iteración se requieren por mucho tiempo, dado que un cambio en un parámetro, influye en los otros, porque generalmente son parámetros que funcionan de manera dependiente, por ejemplo, dos parámetros dependientes son, la superficie vidriada, por un lado y, por otro, la configuración de los vidrios.

Dado que los parámetros no son independientes, se utiliza la metodología de un estudio multifactorial y no de un estudio paramétrico simple. En un estudio multi-factorial, se analizan todas las combinaciones posibles, entre todos los parámetros y sus niveles estudiados. La ventaja de esta metodología es que se puede analizar, de manera conjunta, el impacto y la influencia de los parámetros y sus niveles, como operan en la realidad.

Con el estudio multifactorial, se crea una base de datos que permite extraer la información necesaria para el diseño de viviendas pasivas, en tres ubicaciones climá-ticas representativas del país. Las simulaciones térmi-cas, se ejecutan con el software EnergyPlus, versión 6.0 (EnergyPlus 2010), que es ampliamente validada (Crawley, Hand et al. 2008), y se automatiza para las simulaciones multifactoriales con el software de algo-ritmos genéricos GenOpt (Wetter 2009) y, que debido a la cantidad de simulaciones térmicas necesarias, sobre 20.000, no fue factible realizarlas manualmente.

Se analizaron múltiples casos de estudio para los dife-rentes climas del centro-sur de Chile, en las ciudades de Santiago, Concepción y Puerto Montt. Para cada caso de estudio, se analizó adicionalmente un caso de referencia, que permitiera comparar el ahorro energé-tico entre una casa Passivhaus y una casa construida según la reglamentación térmica vigente (MINVU 2006). En la Ilustración 1, se graficaron los parámetros con sus distintos niveles estudiados. El total de todas



las combinaciones posibles fueron 20.736 casos de estudio, con sus casos de referencia asociados

Los rangos de los parámetros definidos son muy exi-gentes para poder cumplir con un estándar energé-tico alto, dado que se busca cumplir con el estándar Passivhaus. Se considera, por ejemplo, ventanas de vidrio doble y de vidrio doble mejoradas o el rango de la transmitancia térmica de los muros, de un valor U de 0,5 a 0,2 W/(m2K). Todos los parámetros variados con sus niveles, se graficaron en la Ilustración 1. El factor de ubicación, se refiere al clima exterior; la orientación, es la desviación con respecto al norte; el factor forma o la compacidad, se refiere a la for-ma del volumen y se varía en dos niveles: compacta e irregular. La forma “compacta” está representada

por un cubo de dos pisos, mientras la forma irregular, se representa por una planta de geometría en U y de un piso. La inercia térmica alta, está referida a una construcción en hormigón o ladrillo y la inercia térmi-ca baja, a una construcción liviana, de madera. Todos los casos de estudio, cuentan con una ventilación forzada, siendo analizada, una vez con recuperación de calor y otra vez sin recuperación de calor. Adicio-nalmente, se analiza el efecto de un intercambiador de calor subsuelo-aire.

Los casos de referencia asociados a los casos de es-tudio, cuentan con sus configuraciones mínimas para cumplir con la reglamentación térmica, dependiendo de la zona térmica donde se encuentra el caso de estudio.

Ilustración 1: Parámetros variados con sus niveles diferentes para los casos de estudio y los casos de referencia





Se consideran las siguientes condiciones límites para la simulación térmica:

• Superficie construida: 100 m2, altura de un piso 2.50 m, de dos pisos 5m

• Ocupación 20-25 m2/persona (durante 24 horas)• Ganancias internas: caso de estudio 2.9 W/m2,

caso de referencia 5 W/m² (reducido en los casos de estudio por el uso de equipos eficientes como refrigeradores o ampolletas según el estándar “Pas-sivhaus”)

• Temperatura interior: invierno 20 ºC, verano 26 ºC (durante las 24 horas)

• Ventilación e infiltración:– caso de estudio: aire exterior 30m3/(persona y

hora) por un sistema de ventilación, hermetici-dad 0.6 ACH (50 Pa)

– caso de referencia 1ACH (por ventilación e in-filtración)

– Caso de estudio y de referencia en verano: Con temperatura exterior > 23 ºC => ventilación adicional de 2 ACH por apertura de ventanas

Los resultados obtenidos de las simulaciones térmicas multifactoriales para cada uno de los 20.736 casos de estudio y sus casos de referencia asociados son:

• Posibilidad (Sí/No) de climatizar solo con el flujo de aire exterior, sin utilizar aire recirculado. Se clasifican los casos como: si cumple o no cumple, con el estándar Passivhaus.

• Demanda energética para calefacción en kWh/(m2a), para los casos de estudio y sus casos de referencia.

• Demanda energética para refrigeración en kWh/(m2a), para los casos de estudio y sus casos de referencia.

• Demanda energética total (suma de refrigeración y calefacción) en kWh/(m2a), para los casos de estudio y sus casos de referencia.

El tiempo necesario para realizar las 20.736 simula-ciones tomó más que 70 horas en un computador de 4 núcleos y de 3,1 GHz, donde se pudo ejecutar 4 simulaciones en paralelo para reducir el tiempo total necesario.

3. Resultados

Uno de los resultados logrados, luego de las simula-ciones térmicas realizadas es, la demanda energética en refrigeración y calefacción, para cada uno de los 20.736 casos estudiados. Estos resultados se grafi-caron en ilustración 2, separados por las 3 ciudades estudiadas. Una observación de carácter general es,

que en Santiago existe, en comparación con Concep-ción y Puerto Montt, una clara necesidad de evitar el sobrecalentamiento en verano y una posibilidad de reducir la demanda energética en refrigeración.

Ilustración 2: Demanda energética en calefacción y refrigeración de todos los 20.73 6 casos estudiados,

indicados de manera separada para Santiago, Concepción y Puerto Montt


En segundo lugar, se clasificaron los casos estudiados en dos grupos, el primero en los casos que cumplen con el estándar Passivhaus y en el segundo grupo, en los casos que no cumplen.

La definición original del estándar Passivhaus, según Feist (Feist 2005) es como descrito anteriormente: “Una casa pasiva es una edificación en el que el confort térmico se garantiza solo por calentamiento o refrigeración del flujo de aire exterior, de acuerdo al volumen de intercambio requerido para la calidad del aire interior, sin utilizar ayuda adicional al aire recirculado”.

Por lo tanto, si se pueden climatizar los casos de es-tudio, solo por calentamiento o refrigeración del flujo de aire exterior necesario, los casos se clasifican como cumpliendo con el estándar “Passivhaus”, si no, se clasifican como no cumpliendo. Para determinar los casos, se utilizó el número de horas del año donde el sistema de climatización no logró el confort térmico deseado. Por ejemplo: Si la temperatura de confort interior deseada en invierno es de 20º C, se contabi-lizan todas las horas del año donde la temperatura es inferior de 20º C, lo que significa que en todas esas



horas, el sistema de climatización no fue capaz de lograr el confort deseado. Los sistemas de ventilación que utilizan el flujo de aire exterior sin recirculación para climatizar un recinto, tienen una potencia limi-tada. Con las condiciones descritas anteriormente, se puede lograr una climatización a través del flujo de aire exterior, con una potencia máxima de refrigera-ción de 9,4 W/m2 y de calefacción de 14 W/m2. Esto significa que para una casa de 100 m2 se requiere una potencia máxima total de refrigeración de 0,94 kW y de calefacción de 1,4 kW, esto es, similar al rango de la potencia máxima de un secador de pelo manual.

Algunos parámetros, cuando cambian su nivel, tienen una influencia más significativa que otros, con respec-to al cumplimiento del estándar.

Se puede observar, que existen diferencias significa-tivas en la influencia de los parámetros, a partir de las distintas ubicaciones geográficas y sus climas. En

Santiago se observa que los parámetros más impor-tantes están relacionados a la protección del sobreca-lentamiento en verano, mientras que en las ciudades más al sur, aumenta la importancia de los parámetros relacionados con calefaccionar los recintos.

Más adelante se compara la demanda energética de los casos “Passivhaus” con los casos de referencia que cumplen con los requisitos de la reglamentación térmica RT vigente en Chile. Los resultados muestran que las casas pasivas tienen una demanda energética claramente más baja que las casas, según la norma actual. Para realizar este análisis comparativo, se de-bieron hacer las simulaciones térmicas para cada uno de los 20.736 casos de estudio. La demanda energética promedio de los casos de referencia varía por zona, entre 86 kWh/(m2a) y 117 kWh/(m2a), lo que muestra una coincidencia con los resultados publicados por otros autores, como (Bustamante 2008; Bustamante, Rozas et al. 2009; Krämer and Nordsieck 2009).

Ilustración 3: Diferencia en la demanda energética en calefacción y refrigeración entre los casos de estudio que lograron el estándar casa pasiva “Pass ivhaus” y sus casos de referencia según reglamentación térmica RT en [kWh/(m2a)]





El gráfico en ilustración 3, muestra el resultado pro-medio de la demanda energética de los casos en es-tudio que cumplieron con el estándar, comparado con los casos de referencia. Se observa que la demanda energética en calefacción de los casos en estudio que lograron el estándar es entre 10 a 25 kWh/(m2a), de-pendiente a su ubicación geográfica, lo que es similar a la demanda energética máxima permitida de 15 kWh/(m2a), según el estándar Passivhaus (Gantioler 2010). Los casos “Passivhaus” muestran una reducción de la demanda energética de aproximadamente 80% en comparación a los casos de referencia, lo que significa una reducción muy importante.

En el párrafo anterior, se clasificaron los casos en aquellos que cumplen con el estándar “Passivhaus” y en aquellos casos que no cumplen con el estándar. En el presente párrafo, se analiza la demanda energética de los casos de estudio. Se utiliza como variable de respuesta la demanda energética en refrigeración y calefacción durante el año tipo, la cual se obtiene de los resultados de las simulaciones térmicas dinámi-cas. Con la demanda energética y los rendimientos de los equipos de climatización utilizados, se puede determinar el consumo energético y los gastos en calefacción y refrigeración. La información obtenida sobre el comportamiento energético de los casos de estudio, puede ser aplicada para diseñar casas de bajo consumo energético en general y no solo en el diseño de casas pasivas.

Ilustración 4: Infl uencia de los factores investigados a la diferencia de la demanda energética total en

Santiago


Santiago: Se puede observar en ilustración 4, que el factor má s significativo en Santiago es el porcentaje de la superficie vidriada al este/oeste y, en segundo lugar, un sistema de ventilación con recuperación de calor. Estos dos factores influyen en una sola de las dos demandas, ya sea refrigeración o calefacción. Esto significa que, la instalación o no instalación de un sistema de ventilación con recuperación de calor, no provoca un cambio en la demanda energética para refrigeración, pero sí en la demanda energética en calefacción.

Por otra parte, hay factores que tienen influencia en ambas demandas, la de refrigeración y la de calefac-ción. Por ejemplo, la Forma es el factor menos signi-ficativo en la diferencia de la demanda total, pero sí, tiene una influencia en la demanda de refrigeración y de calefacción. La explicación es que, para el caso de refrigeración, la forma irregular presenta un mejor desempeño energético y para el caso de calefacción, la forma compacta es más eficiente. Por lo tanto, en Santiago, la forma de la casa no tiene mucha influen-cia a la demanda energética total. La misma situación ocurre con el porcentaje de la superficie vidriada al norte y con el alero norte.

Otra posibilidad es, cuando un factor tiene en un mismo nivel, el mejor desempeño para la demanda en refrigeración y calefacción. Esto ocurre, por ejemplo, con el tipo de las ventanas y la inercia térmica. Una inercia térmica alta tiene un mejor desempeño, tanto en verano como en invierno. Las ventanas termo pa-neles, con una capa de baja emisividad y con argón, cuentan con una transmitancia térmica más baja, lo que significa menos pérdida de calor en invierno, y por otra parte un factor solar más bajo, que reduce el riesgo de sobrecalentamiento en verano.

Concepción: Analizando las demandas de refrigera-ción y de calefacción por separado en la ciudad de Concepción, se puede observar, que la demanda de la energía total depende generalmente solo de la de-manda en calefacción. En la ilustración 5 se graficó el resumen de la influencia de los factores y sus niveles de la demanda energética total. Se puede observar, sin embargo, que todos los factores que tienen relación con la demanda energética en calefacción son los más significativos. Estos son, en primer lugar, un sistema de ventilación con recuperación de calor, en segundo lugar, los valores U (transmitancia térmica) bajos y, en tercer lugar, las ventanas termo paneles mejoradas. En Concepción, el valor absoluto de la diferencia del factor más significativo es aprox. 15 kWh/(m2a) y en Santiago aprox. 11 kWh/(m2a). Esto indica que el factor más significativo tiene en Concepción un peso mayor que el factor más significativo en Santiago,



por lo tanto, es altamente recomendable instalar un sistema de ventilación con recuperación de calor en Concepción.

Ilustración 5: Infl uencia de los factores investigados a la diferencia de la demanda energética total en

Concepción


Puerto Montt: En la ilustración 6, se resume gráfica-mente la influencia de los factores con sus cambios de niveles en la demanda e nergética total, de refrige-ración y de calefacción en la ciudad de Puerto Montt. Los factores que influyen en la demanda de calefacción son los más significativos al igual que en Concepción. La influencia en la demanda de refrigeración es casi cero, dado que en Puerto Montt, no es necesario climatizar en verano. La demanda energética total depende, por lo tanto, únicamente de la demanda energética para calefacción.

El factor cuya influencia frente a la mayor diferencia en la demanda energética es el sistema de ventilación con recuperación de calor. Contar con recuperación de calor, significa que se puede reducir la demanda energética en más de 25 kWh/(m2a). Bajando los valores U del muro de 0,5 W/(m2K) a menos o igual a 0,2 W/(m2K) significa una reducción de la demanda energética de 19 kWh/(m2a) y, utilizando ventanas de vidrio termo panel con una capa de baja emisividad y relleno de gas argón, se reduce la demanda energética en comparación a ventanas termo paneles comunes en 16 kWh/(m2a).

Considerando la demanda energética, necesaria para cumplir con el estándar Passivhaus, de aprox. 15 kWh/(m2a) en calefacción, son esenciales los aportes en

la reducción de la demanda de los parámetros nom-brados anteriormente. Por lo tanto, no se logrará el estándar Passivhaus en Puerto Montt sin la incorpo-ración de un sistema de ventilación con recuperación de calor, una buena aislación térmica y ventanas de una calidad superior.

Ilustración 6: Infl uencia de los factores investigados a la diferencia de la demanda energética total en Puerto

Montt


4. Discusión y recomendaciones

Anteriormente se mostró que casas construidas según el estándar “Passivhaus” tienen una reducción de la demanda energética de aproximadament e 80% en comparación a una casa construida según reglamenta-ción térmica vigente en Chile. Se analizó la influencia de los diferentes factores del diseño en la demanda energética. Más adelante se formulan algunas reco-mendaciones generales para el diseño de casas Passi-vhaus en Santiago, Concepción y Puerto Montt o para climas similares, dado que se demostró que, en cada clima distinto, hay que aplicar estrategias diferentes para lograr el estándar.

Santiago: Un concepto general, para cumplir con el estándar “Passivhaus” es: para bajar la demanda ener-gética en calefacción, se deben minimizar las pérdidas y maximizar las ganancias. Para el clima de la ciudad de Santiago, esta estrategia presenta un comportamiento contrario, dado que maximizar las ganancias solares presenta una alta posibilidad de provocar un sobreca-lentamiento y un aumento de la demanda energética de refrigeración en verano.




Los casos que presentan una superficie vidriada al este y oeste del 15% del muro, muestran un mejor comportamiento que los casos con ventanas grandes con la misma orientación. Controlando las superficies vidriadas, baja considerablemente la demanda ener-gética en refrigeración. Si la superficie de las ventanas al este y oeste es elevada, la única opción de lograr una demanda energética en refrigeración de un bajo nivel, es la incorporación de sistemas de sombra sobre las superficies vidriadas.

La segunda estrategia para lograr una demanda ener-gética muy baja en Santiago, es minimizar las pérdidas de calor en invierno. Se puede observar que, con la incorporación de un sistema de ventilación con recuperación de calor, se logra fácilmente con una transmitancia térmica moderada de 0,35 W/(m2K), una demanda energética promedio bajo los 10 kWh/(m²a). Por el contrario, para lograr estas demandas tan bajas sin un sistema de ventilación con recupera-ción de calor, es necesario la incorporación de mucha aislación térmica para obtener valores U más bajos de 0,2 W/(m2K). Las recomendaciones para la ciudad de Santiago son, en resumen:

1. Minimizar superficies vidriadas al este y oeste.2. Incorporar elementos de sombra en verano.3. Incorporar un sistema de ventilación con recupe-

ración de calor.4. Transmitancia térmica de los muros U≤0,35 W/

(m2K), techumbre U≤0,28 W/(m2K), radier U≤0,65 W/(m2K).

Concepción: Como concepto general, se puede in-dicar que, maximizar las ganancias y minimizar las pérdidas para bajar la demanda energética en cale-facción, es más factible de aplicar como estrategia en Concepción que en Santiago, dado que no hay un alto riesgo de sobrecalentamiento en verano. Esto significa, que la solución pasa por un buen diseño del edificio, en general, procurando medidas de ventanas adecuadas hacia las distintas orientaciones, las cuales bajan la demanda energética en calefacción y la incor-poración de elementos de sombra para no provocar un sobrecalentamiento en verano.

En Concepción, generalmente no es factible lograr una demanda energética en calefacción bajo de 15 kWh/(m2a), sin contar con un sistema de ventilación con recuperación de calor. Además, es recomendable tener una baja transmitancia térmica de la envolvente y de las ventanas termo paneles mejoradas. En resumen, las recomendaciones para la ciudad de Concepción son:

• Incorporación de un sistema de ventilación con recuperación de calor.

• Transmitancia térmica de los muros U≤0,35 W/(m2K), techumbre U≤0,28 W/(m2K), radier U≤0,65 W/(m2K).

• Ventanas termo paneles mejoradas con valores U<1,5 W/(m2K) y un factor solar g>0,6.

• Incorporar elementos de sombra en verano.

Puerto Montt: El concepto de maximizar las ganan-cias y minimizar las pérdidas igualmente es válido en Puerto Montt, como en Concepción, pero con una magnitud mayor, dado que en Puerto Montt existe un riesgo muy bajo de sobrecalentamiento en verano. Sin embargo, para lograr una demanda energética tan baja como en Concepción, en Puerto Montt se requiere un mayor esfuerzo. Esto significa, en general, la im-plementación de un sistema de ventilación con recu-peración de calor, el mejoramiento de la transmitancia térmica de la envolvente incluyendo las ventanas y un diseño arquitectónico compacto. Las recomendaciones para la ciudad de Puerto Montt son en resumen:

• Incorporación de un sistema de ventilación con recuperación de calor

• Transmitancia térmica de los muros U≤0,2 W/(m2K), techumbre U≤0,16 W/(m2K), radier U≤0,35 W/(m2K)

• Ventanas termo paneles mejoradas con valores U<1,5 W/(m2K) y un factor solar g>0,6

• Diseño arquitectónico con forma compacta

Uno de los parámetros estudiados, muestra un com-portamiento similar en las tres ciudades estudiadas, y se analiza a continuación. Este parámetro es la orien-tación de la fachada principal con respecto al norte. La pregunta investigada es: ¿Hay un cambio significativo en lograr el estándar Passivhaus y, en la demanda energética, si la fachada principal no tiene la orien-tación del 100% al norte? En el diseño ocurren estas situaciones frecuentemente, dado que el sitio, donde se pretende construir la casa, pocas veces cuenta con la orientación óptima. En el presente estudio se gira la casa desde el noroeste (315º), al norte (0º) hasta el nordeste (45º). El resultado es que un cambio de la orientación en el rango estudiado tiene una influen-cia casi nula con respecto a la demanda energética y al cumplimiento del estándar Passivhaus en las tres ciudades estudiadas. Esto significa, para el proceso de diseño, que el arquitecto tiene más flexibilidad de posicionar la casa en el sitio y no tiene que respetar la orientación hacia el norte al 100%.

5. Conclusiones

Se demostró que se puede ahorrar en el centro-sur de Chile, igual que en Europa central, con construcciones que cumplen con el estándar “Passivhaus” aproxi-



madamente un 80% de energía en climatización, en comparación a construcciones que cumplen con la re-glamentación térmica vigente en Chile (MINVU 2006). Este estándar logrará una clasificación de eficiencia energética de A+++ en comparación a las clasificacio-nes de la eficiencia energética propuestas en el siste-ma de certificación energética de viviendas en Chile. Aparte de la posibilidad de bajar considerablemente la demanda energética con casas “Passivhaus”, se aumenta el confort interior, dado que la temperatura superficial interior de la envolvente, en especial de las ventanas, es más alta. Se puede lograr el estándar, en comparación a Europa central, con medidas más moderadas como, por ejemplo con 10 cm de aislación térmica en los muros en Concepción en comparación a 30 cm aislación térmica en Múnich.

La tecnología para construir casas “Passivhaus”, como alta aislación térmica, ventanas termo paneles Low-E con argón o los sistemas de ventilación con recupera-ción de calor ya son accesibles y existen en gran parte en el mercado nacional. Se pueden construir casas pasivas sin limitaciones en la materialidad, dado que el estándar “Passivhaus” es un estándar energético y no un sistema constructivo. También, la industria de la construcción, es capaz de lograr la calidad nece-saria del estándar con sus exigencias altas, como por ejemplo, la alta hermeticidad. Es muy importante, para lograr esta calidad, la incorporación de todas las especialidades desde el comienzo del diseño, lo que hoy llamamos proceso de diseño integrado, descrito en (Miotto, García et al. 2011).

Sin duda las construcciones que logran el estándar “Passivhaus” tienen un costo de inversión inicial más alto que una construcción que solo cumple con la reglamentación térmica actual en Chile. Pero, por otro lado, estas construcciones tienen un costo de operación de un aproximadamente 80% más baja que una construcción tradicional. Con este ahorro en los costos de la operación, se recupera el costo inicial más alto durante la vida útil de la construcción. El sistema de ventilación de una casa pasiva, actúa igualmente como sistema de calefacción central, dado que climatiza cada recinto de la casa a través del flu-jo de aire. Con este sistema, se puede sustituir una calefacción central tradicional, lo cual significa que los costos no se aumentan, dado que un sistema de ventilación con recuperación de calor tiene un costo similar al de una calefacción central. La rentabilidad económica depende, por esta razón, al nivel econó-mico de la vivienda con la cual se está comparando. Si es una vivienda pensada con calefacción central será rentable el estándar casa pasiva, pero en el caso de una vivienda social, será casi imposible mejorar la

vivienda al nivel del estándar, con los recursos econó-micos entregados hoy día. Sin duda, pensamos que los usuarios de viviendas sociales, podrían obtener el estándar, con todo lo que ello implica respecto de aumentar la calidad de vida y un aumento del confort interior y sin tener gastos elevados en energía, solo si se obtiene un subsidio adicional por este tipo de casas, como ocurre, por ejemplo en Alemania. En una etapa posterior de la investigación, se investigará con mayor profundidad la rentabilidad económica del estándar en el centro-sur del país.

La propuesta para el cumplimiento del estándar “Pas-sivhaus” en Chile contiene generalmente las mismas obligaciones como en Europa central (Gantioler 2010). Los puntos clave son, entre otros:

• Demanda energética máxima para calefacción: 15 kWh/(m2a),

• Demanda energética máxima para refrigeración: 15 kWh/(m2a)

• Para edificios con calefacción y refrigeración por aire, se acepta como alternativa, también, previa comprobación, que es posible climatizar a la tem-peratura deseada con el flujo de aire sin utilizar recirculación.

• Nivel de hermeticidad, posiblemente cambiar de 0.6 a 1 ACH(50Pa)

• Un consumo de energía primaria para todos los sistemas (calefacción, refrigeración, ACS, electri-cidad, auxiliar…) no superior a 120 kWh/(m2a)

• Temperaturas superficiales interiores de la envol-vente térmica durante invierno >17 °C

Para garantizar la calidad de las casas y del estándar “Passivhaus” se propone, la necesidad de certificar el estándar, a través de instituciones nacionales, como por ejemplo, las universidades o instituciones interna-cionales, como por ejemplo el Instituto de las casas pasivas en Darmstadt (Alemania). Solo así, el cliente o futuro usuario tendrá la certeza de que su casa, en realidad, logra un confort térmico alto con gastos en energía muy bajos.

6. Agradecimientos

Estos antecedentes han sido recopilados en el marco de un proyecto FONDEF D09I108: “Desarrollo e intro-ducción del sistema de edificación pasiva en Chile” al cual están integrados los autores del artículo. Los ante-cedentes forman parte de tesis en desarrollo del autor Hatt. T del programa de Doctorado en Arquitectura y Urbanismo de la U. del Bío-Bío, Concepción, Chile.




Referencias

1. Miotto, U., R. García, et al. (2011). “Diseño Integrado para Viviendas Energéticamente Efi cientes en Chile: Enhebrando Capacidades”. Hábitat Sustentable Vol. 1, N° 1.

2. Feist, W. (2006) “Geschichte Passivhaus”. 19.04.2010.

3. Espenberger, A. and S. Mekjian (2011). iPHA: Global denken, lokal handeln. 15 Internationale Passivhaustagung. W. Feist. Innsbruck, Passivhaus Institut Darmstadt. 15: 65-71.

4. Feist, W. (2005) “Passivhaus Defi nition”. aktualisiert: 16.09.2005.

5. Krick, B., W. Feist, et al. (2011). Funktionale Beschreibung von Passivhaeusern - eine klimaunabhaengige Defi nition. 15 Internationale Passivhaustagung. W. Feist. Innsbruck, Passivhaus Institut Darmstadt. 15: 569-574.

6. Gantioler, G. (2010). Manual para la certifi cación “Es-tándar Passivhaus”. CERTIFICADO Estándar Passivhaus Dr. Wolfgang Feist, PASSIV HAUS INSTITUT Dr. Wol-fgang Feist.

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8. Schnieders, J. and A. Hermelink (2006). “CEPHEUS results: measurements and occupants’ satisfaction provide evidence for Passive Houses being an option for sustainable building”. Energy Policy 34(2): 151-171.

9. Huenchuñir, M. (2011). Bank building in Santiago, Chile. 15 Internationale Passivhaustagung. W. Feist. Innsbruck, Passivhaus Institut Darmstadt. 15: 265-270.

10. EnergyPlus (2010). EnergyPlus Version 6.0.0 Build 023. The Board of Trustees of the University of Illinois and The Regents of the University of California through Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory. Version 6.0.0 Build 023.

11. Crawley, D. B., J. W. Hand, et al. (2008). “Contrasting the capabilities of building energy performance simulation programs”. Building and Environment 43(4): 661-673.

12. Wetter, M. (2009). GenOpt® Generic Optimization Program User Manual Version 3.0.0. Lawrence Berkeley National Laboratory. Berkeley.

13. MINVU (2006). Manual de Aplicación reglamentación térmica MINVU ordenanza general de urbanismo y construcciones Artículo 4.1.10. Ministerio de Vivienda y Urbanismo MINVU. Santiago de Chile.

14. Bustamante, W. G. (2008). Análisis y simulación de la demanda energética de calefacción en una vivienda tipo con soluciones de envolvente estructuradas en MSD y AraucoPly de Arauco. Santiago de Chile.

15. Bustamante, W., Y. Rozas, et al. (2009). Guía de Diseño para la Efi ciencia Energética en la Vivienda Social. Ministerio de Vivienda y Urbanismo División Técnica de Estudio y Fomento Habitacional (MINVU) y Programa País de Efi ciencia Energética (cne). Santiago de Chile.

16. Krämer, S. and G. Nordsieck (2009). Optimización del comportamiento térmico en vivienda social lo espejo II. Fomento de la Efi ciencia Energética (CNE/GTZ). Santiago de Chile.



Evaluación de los artículos

PÚBLICO OBJETIVO

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Inscripción Nº ISSN 0717 - 7925Edición: agosto 2012

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