simulación y evaluación de puentes térmicos

Revista de la ConstruccinISSN: [email protected] Universidad Catlica de ChileChile

MUOZ, C.; BOBADILLA, A.Simulacin y evaluacin de puentes trmicos Soluciones constructivas tpicas aprobadas por la Norma

Trmica para elementos verticales en estructura de madera y metlicos en la Zona 4 Simulacionescon Therm y Usai y evaluacin con Mtodo de Cmara Trmica

Revista de la Construccin, vol. 11, nm. 2, agosto, 2012, pp. 92-111Pontificia Universidad Catlica de Chile

Santiago, Chile

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=127625512003

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92 ] Revista de la ConstruccinVolumen 12 No 22 - 2012

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

Simulacin y evaluacin de puentes trmicosSoluciones constructivas tpicas aprobadas por la Norma Trmica para elementos verticales en estructura de madera y metlicos en la Zona 4Simulaciones con Therm y Usai y evaluacin con Mtodo de Cmara Trmica

Autores

MUOZ, C. Universidad del Bo-Bo,[email protected], Chile

BOBADILLA, A. Universidad del Bo-Bo,[email protected], Chile

Fecha de recepcin 17/04/2011

Fecha de aceptacin 19/07/2012

RevConsPUC-N22.indb 92RevConsPUC-N22.indb 92 08-11-12 18:1808-11-12 18:18

pginas: 92 - 111 [ 93 Revista de la ConstruccinVolumen 12 No 22 - 2012 [ Muoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A. ]

Resumen Los puentes trmicos generan una serie de patologas dentro de la construccin que son difcilmente reparables una vez ejecutadas. Los problemas derivados por las prdidas de calor; condensa-ciones superficiales; aparicin de moho y deterioro de las estructuras son los efectos ms 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 mantencin y de prdida de ener-ga. El puente trmico es un problema

de diseo que se agrava en el proceso constructivo, por ello, analizar su com-portamiento en la etapa de desarrollo asegura una mejor prestacin de la en-volvente. La normativa chilena es dbil en su precisin respecto a la manera de abordarlos. Este trabajo pretende defi-nir una metodologa de anlisis de las soluciones constructivas utilizando para ello mtodos tericos (simulaciones) y mtodos experimentales (cmara trmi-ca) para evaluar la pertinencia del uso de un factor como referente de diseo.

Palabras clave: Puentes Trmicos; Valor U; Simulacin Trmica; 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.


94 ] Revista de la ConstruccinVolumen 12 No 22 - 2012pginas: 92 - 111 [ Muoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A. ]

1. Introduccin:

Nuestro pas ha generado propuestas que apuntan al mejoramiento en el uso de la energa como poltica para asegurar el crecimiento econmico y social por tres lneas estratgicas principales: el incremento en el volumen de la produccin de energa; la ampliacin de la matriz energtica con nuevas fuentes (entre las que se incluyen las renovables) y mejorar la eficiencia y el ahorro en el uso de la energa.

En las edificaciones, uno de los problemas comunes y evitables son los puentes trmicos que afectan su efi-ciencia trmica, pero tambin son un agente potencial de patologas que deterioran la calidad de vida de las personas. Evitarlos pasa por su anlisis desde la etapa de diseo hasta la supervisin de su correcta ejecucin.

La Normativa actual en Chile; los Programas de Clculo de simulacin de transmitancia trmica y los fabricantes de materiales de construccin tienden a despreciarlos, dejndolos como dato por defecto (un valor o factor) lo cual evita su anlisis como detalle constructivo, no existiendo un control entre el valor U de la solucin y el valor U de la zona ms dbil o puente trmico llevando a ejecutarlas como soluciones que traen con-sigo prdidas de energa, peligro de condensaciones y aparicin de moho afectando con ello la mantencin de la edificacin, la salud y el confort de los ocupantes. El principal problema es que, una vez construida la envolvente, estos difcilmente pueden ser corregidos y por ello, intervenir el puente trmico en su etapa de diseo permite generar su ruptura o minimizar sus efectos, asegurando as una edificacin saludable que aporta, adems, a los propsitos de la sociedad chilena al mejorar la eficiencia energtica de sus edificios.

1.1. Objetivos de la Investigacin

1.1.1. Objetivo General

Comparar soluciones constructivas de elementos ver-ticales en estructura soportante de madera y metlica aprobadas por la Norma Trmica y graficadas a travs del Listado Oficial de Soluciones Constructivas para Acondicionamiento Trmico del Ministerio de Vivienda y Urbanismo, para evaluarlas terica (simulacin con software Therm y Usai) y experimentalmente (probetas en cmara trmica) y a partir de ello, proponer opti-mizaciones (rotura de puente trmico) definiendo una relacin (proporcin) entre el U de mayor valor y el U de menor valor de la solucin 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 (solucin por diseo).

1.1.2. Objetivos Especfi cos

1.1.2.1. Comparar valores U y Temperaturas superfi-ciales registradas de las soluciones iniciales y me-joradas para obtener una relacin entre las zonas de mayor y menor transmitancia trmica.

1.1.2.2. Definir una pauta de evaluacin de una solu-cin constructiva que considere el anlisis del de-talle constructivo para generar la rotura de puente trmico usando un mtodo terico (Therm y Usai) y un mtodo experimental (probeta) validando as la simulacin.

1.1.2.3. Generar una librera base de materiales locales para ser utilizada con los programas de simulacin Therm y Usai, facilitando su utilizacin en medios acadmicos y profesionales locales.

1.1.2.4. Utilizar simulaciones que permitan visualizar el comportamiento trmico e higrotrmico de una solucin constructiva para tomar conciencia de la aparicin de puentes trmicos, fomentando la prevencin o atenuacin de ellos en la etapa de diseo.



1.2. Visin Global de la Metodologa utilizada:

Fig. 001 - Cuadro Resumen Metodologa General

Determinacin de Programas de Simulacin a utilizar

Determinacin de Casos de Estudio

ETAPA 0

ETAPA 1

ETAPA 2

ETAPA 3

ETAPA 4

ETAPA 5

CAD

CAD

Therm-Usai

Therm-Usai

Anlisis Resultados

Anlisis Resultados

Anlisis Resultados

Anlisis Resultados

Ensayos de Probetas

Ensayos de Detalle Mejorado

Comparacin Resultados

Comparacin Resultados

Validacin

Validacin

Conclusiones

Manual Soporte Web

Cmara Trmica

Cmara Trmica

Simulacin de Detalle Mejorado

Fig. 002 - Cuadro Resumen Metodologa Estudio de Casos

Revisin Casos Graficados en Manual MINVU

Eleccin de Casos

Dibujo del Detalle

ETAPA 0

ELECCIN

DIBUJO

ETAPA 1

THERM

ETAPA 2

USAI

ETAPA 3

U

ETAPA 4

T

ETAPA 5

CAD Exportar a DXF

Definicin de materiales

Definicin de materialesImportacin detalle

Redibujo detalle

Generacin librera

Obtencin datos Therm

Generacin informe

Generacin informe

Generacin librera

Generacin informe

Validacin

Comparacin Datos

Conclusiones

Generacin librera

Generacin imgenes

Simulacin con Therm

Clculo U manual

T Superficiales

Redibujo detalle

Definicin de materiales

Generacin grfico

Simulacin con Usai



2. Desarrollo

2.1. Marco Terico:

En el contexto nacional, El Ministerio de Vivienda y Urbanismo implement para cumplir con la Regla-mentacin Trmica de Viviendas la utilizacin de un mtodo de simulacin basado en la Herramienta de Certificacin del Comportamiento Trmico 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 trmico y de la informacin de los cerramien-tos a los que se adosa segn la NCh 853. El clculo se hace en base al clculo de Transmitancia Trmica Lineal. Se asume as que el valor se pondera segn los valores arrojados por los diferentes tipo de puente trmico presentes (1).

Este criterio planteado desprecia los puentes trmicos puntuales y valoriza los lineales dado que son los ms perjudiciales tanto en lo econmico como en salud y confort.

El Manual de Aplicacin de la Reglamentacin Trmi-ca (2) propone visualmente una serie de soluciones constructivas, pero vuelve a plantear los puentes tr-micos sobre la base de un criterio. Son los fabricantes quienes presentan en sus documentos tcnicos una serie de soluciones basadas en estos criterios pero demostradas todas ellas para el paquete constructivo, despreciando el problema del puente trmico. De esta manera, la responsabilidad queda en el diseador 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 diseo para evitar las negativas consecuencias, tanto puntuales como lineales.

En el caso espaol, la herramienta LIDER CTE (http://www.codigotecnico.org/index.php?id=33) mantiene un criterio y valores por defecto para los puentes tr-micos basado en una serie de detalles constructivos tipo que arrojan valores especficos 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 mtodo (simulacin o ensayo) y se permite validar un valor U nuevo (Manual Lder, pg. 170). En este caso, el programa es ms flexible porque no solo da valores asociados a detalles constructivos, sino que adems fomenta la bsqueda de otras soluciones validadas por otros mtodos.

En Dinamarca se ha implementado un clculo basado en los mismos criterios que asume CCTE_CL donde los puentes trmicos son definidos por sus prdidas lineales o puntuales y que su mtodo de clculo es bidimensio-nal o tridimensional (ISO 14683). Basados en el estndar de las ISO 10211-1 y 10211-2, se profundiza en los modelos de clculo, sin embargo ellos han aprendido a adaptarlas a sus necesidades locales. El estudio concluye que al incorporar clculos ms exactos en la evaluacin de los puentes trmicos, se ha logrado ajustar los cri-terios de diseo y con ello se ha reducido la prdida de calor entre 10% a 50%, especialmente en muros y alrededor de puertas y ventanas. Definen que la base est en el detalle constructivo y en la adecuada aislacin de la obra. Basado en 3 tipologas de puentes trmicos: Valor bajo (vivienda pasiva); Valor medio (diseo tpico) y Valor alto (Estructura con muchos puentes trmicos) 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 anlisis y porcenta-jes asociados a las mayores zonas de prdida de energa (ventanas) basados en la realidad local, comparando lo existente, la normativa y lo ms eficiente realizado localmente. El estudio trae una mirada ms realista a las posibilidades tecnolgicas locales. Se realiza basado en las ISO y apoyado en simulaciones, las que se hacen con mtodos bidimensionales considerando que el anlisis tridimensional no es necesario para el caso de los puentes trmicos (3).

En un estudio realizado en Grecia, cimentado en las construcciones de doble muro de ladrillo, arrojaron resultados esperados, donde los puentes trmicos eran los principales responsables de las prdidas de calor. Concluyen que la normativa es deficiente en estos temas y que la falta de reglamentacin afecta fuertemente al medio ambiente, dadas las demandas de enfriamiento y calentamiento que sufren en ese pas. Para demostrar y apoyar sus datos, realizan si-mulaciones con TRSYS, programa de anlisis bidimen-sional, y se incorpora HVAC para sumar los aportes de los sistemas de acondicionamiento. Este anlisis los llev a ver la enorme discrepancia que hay entre los resultados basados en los mtodos tradicionales que tienden a la estandarizacin versus el clculo detallado que aporta un anlisis 3D donde adems se evala el comportamiento de los flujos de calor (4).

Un estudio realizado en Francia plante la necesidad de evaluar los clculos numricos versus las simula-ciones 2D de puentes trmicos utilizando el programa BISCO. Se concluy que las diferencias estaban en el orden de un 5%. De esta manera valida el uso de los programas 2D para clculo de puentes trmicos, consi-derndolo una herramienta til y de rpida verificacin en el proceso de diseo (5).



En Argentina se realiz un estudio que analiz a tra-vs de simulaciones con un programa 2D, edificios existentes en los cuales se saba que existan puentes trmicos. Se demostr la situacin anmala, pero tambin se realiz una propuesta de mejora donde no solo se plante un detalle constructivo, sino que se propuso una ecuacin matemtica para determinar si se resolva el problema por espesor o por conducti-vidad trmica. As, el dato que se consideraba como constante determinaba la estrategia a utilizar (6).

El estudio de Regodn y Tenorio Ros, del Instituto de Ciencias de la Construccin Eduardo Torroja, analiza los puentes trmicos por varios mtodos numricos y modelos bidimensionales digitales, considerando los dems inexactos o de interminables mediciones. Se centran en la problemtica de la prdida de calor, pero tambin en los problemas de humedad. Por ello establecen dos criterios para abordar los detalles que contienen puentes trmicos:

1. Que el impacto de energa sea bajo, es decir, que el valor global de U del elemento constructivo (incluido el efecto del puente trmico) sea menor que un cierto valor mximo (exigido por ejemplo por la normativa nacional) y/o que el efecto del puente trmico no suponga ms de un porcentaje dado del total de la prdida de calor a travs del elemento constructivo.

2. Que el riesgo de condensaciones sea mnimo, es decir, que el factor de temperatura sea superior al valor crtico (este valor debera determinarse a nivel nacional).

Finalmente, plantean el concepto de robust detail definido por la normativa inglesa.

El Detalle Robusto es aquella solucin habitual, reali-zada con materiales y productos comunes y duraderos, basada en las tcnicas y prctica industrial existente, concebida de tal forma que minimiza el riesgo de condensaciones, el riesgo de penetracin al agua, las prdidas extra de calor, exceso de infiltraciones, etc. Por tanto una solucin constructiva es robusta cuando incorpora otros requisitos adecuados a la ha-bitabilidad de los edificios y no solo atiende a aspectos higrotrmicos (7).

El estudio del Belgian Building Research Institute (BBRI), Blgica, realiza un exhaustivo anlisis de los principales programas de evaluacin de puentes tr-micos 2D y 3D. Esta revisin permite tener una visin comparativa de las capacidades y prestaciones de

cada uno, adems del alcance de sus resultados. Se plantea aqu que durante las ltimas 2 dcadas se ha avanzando en esta rea, hacindolos ms precisos y de interfase ms amigable. Sin embargo, muchos de ellos presentan errores al intentar transformarlos en herra-mientas vlidas. Ello porque la evaluacin experimental se considera la forma ms adecuada de certificacin. Por ello, los resultados de estos procesos de simulacin son sometidos a ajuste de modo de hacerlos vlidos, lo que no ha evitado que sean considerados como buenas alternativas de anlisis y verificacin 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 especfica de los Puentes Trmicos, y las ISO 6946, EN 673, EN ISO 10077-2 de capas de aire y cavidades, e ISO 10456 de Conductividad Trmica (8).

De ello, ambas herramientas elegidas para este traba-jo, son parte del listado de los productos gratuitos los que, obviamente, son limitados en comparacin con los comerciales. Por ello es pertinente incorporar otros mtodos complementarios que ayuden a alcanzar los objetivo planteados.

2.2. Metodologa:

ETAPA 0

2.2.1. Determinacin de el o los programas de simulacin a utilizar

La eleccin se hizo en base a sus posibilidades de utilizacin de costos asociados; curva de aprendizaje; flexibilidad de incorporar nueva informacin (infor-macin local de materiales) y el tipo de resultados obtenidos.

Bajo esos criterios se decidi 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 libreras, 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 librera 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 permitira ma-yores posibilidades de masificarlos como herramientas vlidas para simular soluciones constructivas locales.



ETAPA 1

1. Determinacin de los casos de estudio

De la revisin del Manual de Aplicacin de la Norma Trmica (9) se gener una seleccin de los casos a simu-

Fig. 003 - Ejemplo caso elegido

lar considerando aquellos aplicables a la zona 4 y que poseyeran estructura heterognea (Fig. 003) ya sea en base a una estructura de madera o una metlica y consi-derando que esta es parte de una solucin ya masificada (solucin tpica) y su factibilidad de realizar una probeta de ella para someterla al ensayo en la cmara trmica.



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 lneas o polgonos, 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. Exportacin 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 trmico.

Fig. 005 - Redibujo en Therm

4. Incorporacin de datos de materiales a librera base

Therm permite ampliar la librera de materiales y para ello se utiliz la base de materiales del programa de Certificacin CCTE.

Con la librera actualizada, se procedi a incorporar a cada elemento constructivo su material especificado. (Fig. 006).

Fig. 006 - Asignacin de material local

Para las condiciones de borde, se utiliz el mtodo sim-plificado sugerido por el programa utilizndose 20 Cpara el interior y 0 C para el exterior. Para el coefi-ciente de film, se considera el inverso a la resistencia superficial (Rse y Rsi).


100 ]Revista de la ConstruccinVolumen 12 No 22 - 2012pginas: 92 - 111 [ Muoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A. ]

Fig. 007 - Asignacin de Condiciones de Borde

5. Simulacin

La simulacin arroja como resultado imgenes y datos de diferente tipo:

1. Isotermas: muestra las lneas de igual temperatura a lo largo del detalle. Estas se deformarn ms 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 relacin a una escala visual la cual se despliega al generarse esta grfi-ca. Los colores ms clidos (rojos, anaranjados y amarillos) mostrarn las zonas calientes y los fros (azules y violetas), las zonas fras.

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 s la dis-posicin y especificacin de los materiales de cada elemento. La definicin de las condiciones locales se hace utilizando la base climtica de Meteonorm. Una vez vinculados esos datos, los detalles son analizados segn 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-cin CCTE para obtener los valores de conductividad trmica y calor especfico de cada material. Para el valor del calor especfico, este debi ser convertido a la unidad del programa ya que utilizaba una diferente a la chilena.

Fig. 013 - Asignacin de Propiedades de materiales

Al construir el detalle, este va actualizando los datos de su valor U y el valor de la Resistencia Trmica de



la solucin de modo que no pasa por un proceso de clculo separado de la construccin. Al finalizar, el programa puede generar un reporte para el detalle analizado lo que arroja datos de geometra; compor-tamiento trmico e higrotrmico y un anlisis mes a mes del riesgo de condensacin.

7. Anlisis de los resultados

Con Usai se obtuvieron los valores U de las partes con y sin puente trmico por separado y para validarlos se compar con los obtenidos utilizando el mtodo de clculo manual (planilla de clculo que incorpor la frmula que define la NCh853).

Fig. 014 - Planilla de Clculo

De estas planillas se obtuvieron los valores por sepa-rado y los ponderados de cada detalle.

Comparar los valores defini una relacin entre la zona de mayor y menor U.

Sin embargo, se debi hacer un nuevo ejercicio de comparacin de datos dado que las diferencias entre valores U no arrojaban claridad ante la prdida de calor que es, en definitiva, el problema del puente trmico.

Para ello se utiliz Therm, construyendo una grilla de 2,5 cm por la superficie exterior del muro definiendo como punto inicial el de mayor prdida de calor. Se obtuvieron 20 puntos hacia la derecha y 20 hacia la izquierda y sus valores se trasladaron a una planilla de clculo y transformndolos en un grfico.

Fig. 015 - Grfi co de Temperaturas Superfi ciales

Estos valores aportaron una nueva relacin entre el punto de mayor y el de menor prdida de calor.

ETAPA 2

1. Determinacin 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 metlica.



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. Exportacin a simulador Therm

5. Simulacin

Se obtuvieron las imgenes de isotermas, flujo de calor y flujo de vectores.

6. Clculo Manual

Se realiz, a modo de verificacin.

7. Cubicacin

Se cubic la solucin para construir las probetas a ensayar en la cmara trmica.

ETAPA 3

1. Construccin de probetas originales

Adaptado el detalle a las medidas del anillo de guarda de la cmara trmica, en la probeta se dispusieron las termocuplas de la manera estndar, es decir, dispo-



nindolas 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 automtica con Usai.

2. Anlisis en cmara trmica

El proceso de evaluacin en la cmara se realiz segn lo descrito en el procedimiento de la NCh 851 Of.83. En el caso de estas probetas, el perodo de estabiliza-cin se produjo entre 2 a 3 das y las mediciones se realizaron cada dos horas en perodos desde las 8 de la maana hasta las 20 horas.

Estos registros se traspasaron a una planilla que con-tiene los valores asociados a cada termocupla para los das y horas que dura el proceso de estabilizacin, obtenindose los siguientes datos:

1. Valor U.

2. Temperaturas superficiales lado fro y lado caliente.3. Temperatura de aire lado fro y lado caliente.4. Temperaturas Interiores.

3. Comparacin de los resultados con los de la simulacin

Originalmente se consideraron condiciones de borde supuestas de temperaturas (0 C exterior y 20 C interior) las cuales difieren de las registradas en la c-mara trmica lo que distorsionaba los valores mnimos y mximos 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 parmetros iguales.

Con los datos, se gener una matriz (Fig. 018) que contiene los valores iniciales (de las soluciones MINVU); los clculos manuales; las simulaciones y los resultados de las probetas.

Fig. 018 - Matriz de Comparacin



4. Validacin (o no) de simulacin

Con la matriz se visualizaron los datos obtenidos por los diferentes mtodos de manera de aproximar a una validacin 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 Cmara Trmica).

ETAPA 4

Procedimiento es idntico 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 eligi uno de los casos mejorados y se estructur un documento paso a paso para la utilizacin de Therm y Usai. Este trasladar a soporte web, anexando todo el material necesario para repetir el procedimiento.

3. Resultados y Discusin

3.1. Resultados Obtenidos

La eleccin de las soluciones constructivas a evaluar se bas en la idea de conseguir variaciones de tempera-turas y resistencias trmicas notorias dada la evidente presencia de puentes trmicos por discontinuidad de materiales.

3.1.1. De las Simulaciones

Se ejecutaron por tres mtodos: Planilla de Clculo; Therm y Usai.

Todas ellas toman como referencia el dato de la solu-cin aprobada por el MINVU (caso base) la cual daba como parmetro el valor U de la solucin constructiva.

Planilla de Clculo:

La primera evaluacin fue realizar los clculos por se-parado de los valores U de las zonas sin y con puente trmico. Luego se hizo un clculo ponderado, presen-tndose pequeas diferencias con el valor definido en la solucin MINVU.

Fig. 019 - Comparacin valores U ponderado MINVU / Planilla de Clculo

Diferencias que en el caso de la solucin S053 con estructura en base a perfiles metlicos vari de U ori-ginal = 0,7 a un valor U calculado = 0,65 y en el caso de la solucin 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 seran iguales (Fig. 019).

Los valores U separados de utilizaron para defi nir si se cumpla la relacin 1:2 mxima para evitar las patologas de los puentes trmicos y comparar los valores entre simu-laciones y los obtenidos en la cmara trmica. (Fig. 020).

Fig. 020 - Comparacin valores U mayor y U menor y Relacin (1:2)



Usai:

Fig. 021 - Comparacin valores U ponderado - MINVU / Usai

Los valores entregados por el programa Usai para los valores ponderados fueron, para el caso de la solucin 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 clculo manual y los obtenidos con Usai, ambos poseen resultados casi idnticos y en el caso de los valores U parciales sucede algo similar (Fig. 022).

Therm:

De estas simulaciones se obtuvieron imgenes y datos de temperaturas superficiales las cuales se compararon con las obtenidas en la cmara trmica.

Se registraron las temperaturas mximas y mnimas superficiales de ambas soluciones lo que evidenci diferencias mayores que las de los valores U.

La simulacin S053 original registr una temperatura mxima de 9 C y mnima de 6 C a diferencia de su probeta que registr una mxima de 9,93 C y una mnima de 8,58 C. Con esos valores el delta de tem-peratura es 3 C en la simulacin y de 1,35 C en la cmara. Ms de el doble (Fig. 023).

La simulacin S053 mejorada registr una temperatura mxima de 5,6 C y una mnima de 4,9 C y la probeta registr una mxima de 7,39 C y mnima de 6,84 C. En este caso, el delta de la simulacin es de 0,7 C y el de la probeta de 0,55 C mucho ms cercano.

En el caso de las solucin S083 original sucede algo similar al original de la S053 con un delta de 1,6 C versus 0,6 C de la probeta y para la mejora, 0,2 C de la simulacin versus 0,53 C de la probeta. Ambas mejoras demuestran un comportamiento ms similar al de las probetas que las soluciones originales (Fig. 023).

Fig. 022 - Comparacin valores U Clculo Manual / Usai

Fig. 023 - Comparacin Temperaturas Superfi ciales Therm / Cmara Trmica



3.1.2.- De las Probetas

Fig. 024 - Comparacin valores U ponderado MINVU / Cmara Trmica

Los valores de U obtenidos en las probetas fueron ms altos que los definidos para las soluciones MINVU variando de 0,7 a 0,72 para la solucin S050 y de 0,7 a 0,74 en la solucin S083 (Fig. 024).

Para las probetas correspondientes a las mejoras, para la S050 las variaciones fueron para el clculo manual de 0,59; para Usai de 0,62 y para la cmara de 0,74.

Para la S083 las variaciones fueron para el clculo manual de 0,54; para Usai de 0,57 y para la cmara de 0,6 (Fig. 024).

Para las comparaciones de los valores U mximos y U mnimos, los rangos fueron ms similares entre los mtodos de simulacin (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 grficos 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 trmicos (Fig. 026).

Fig. 025 - Comparacin valores U y Temperaturas Superfi ciales Simulaciones / Cmara Trmica



Fig. 026 - Comparacin Grfi cas de Temperaturas Superfi ciales Usai / Cmara Trmica



3.2. Discusin

De las comparaciones realizadas, el valor U se ve ms confiable para la utilizacin de las simulaciones con Usai y a travs una planilla de clculo. Este procedi-miento permitira rpidos ajustes y comparaciones que son visualizadas con Usai y son verificables aplicando el mtodo de clculo manual (a travs de la planilla de clculo) especificado en la normativa chilena.

Usai arroj resultados similares a los de las probetas en las curvas de comportamiento trmico lo que se puede considerar como una visualizacin vlida.

Therm ofrece visualizaciones claras del flujo de calor siendo preciso en graficar los puentes trmicos, pero los datos de temperaturas superficiales no ofrecen seguridad de ser un dato confiable. A pesar de ello, aporta nociones de puntos y zonas crticas de prdi-das de temperatura siendo muy flexible y de rpida incorporacin al proceso de diseo para el anlisis de una solucin constructiva

Las probetas aportaron gran cantidad de datos cuan-tificables que, adems 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 correspondan a las aportadas por el mtodo experimental (las tem-peraturas interior y exterior) las que variaron entre probetas.

Finalmente, las simulaciones aportaron nuevos datos para analizar una solucin constructiva permitiendo entender de mejor manera el comportamiento de los casos de estudio, aumentando los criterios de anlisis.

Su utilizacin permite un acercamiento y reflexin ma-yor ante el problema de los puentes trmicos durante el proceso de diseo siendo ello su mayor potencial. La precisin de los datos no necesariamente sern los esperados, pero se entiende que la simulacin entre-gar datos suficientes para tomar decisiones al menos de manera ms consciente e informada.

4. Conclusiones

4.1. El anlisis de los detalles constructivos requieren de un estudio ms profundo, abarcando compara-ciones de sus prestaciones no solo evaluando el valor U, que normalmente lo conocemos como ponderado, sino tambin evaluando las zonas de prdidas de calor (puente trmico).

Utilizar la relacin de 1:2 entre estas zonas como lmite para el valor U, tal vez sea un adecuado parmetro si se evala junto a las temperaturas superficiales (las prdidas), dado que mientras mayor sea la diferen-cia, mayor peligro existe de aparicin de patologas constructivas.

La evaluacin higroscpica no arroj resultados de posibles condensaciones en los detalles analizados, al considerar el valor de la resistencia a la difusin del vapor de agua () en muchos casos como adimensional (valor =1), lo cual puede llevar a errores cuando se analiza el detalle dejando este parmetro fuera.

Una exploracin futura podra centrarse en la defini-cin de este valor para los materiales comunes usados en la zona 4.

4.2. El desarrollo de detalles y su simulacin con Therm y Usai permite complementar la informacin disponible reglamentaria, aportando nuevos datos medibles y verificables que ayudan a decidir y evaluar la solucin constructiva a utilizar.

Esta aproximacin arroja resultados tanto en la visua-lizacin del comportamiento trmico de una solucin constructiva como en la obtencin de datos numrico posibles de ser comparados con un caso base (lo reglamentario).

Por ello, la visualizacin apunta a una comparacin prestacional pero tambin de diseo (geometra) y materialidad.

4.3. Desarrollar una base de datos de materiales para Therm y Usai permite, a partir de un mnimo regla-mentario, proponer mejoras a los detalles norma-lizados utilizando alternativas reales, disponibles y validadas.

Esto facilita la exploracin de mejoras prestacionales variando materiales; su posicin dentro del muro; densidades o espesores.

La base de datos de Therm es flexible lo que permite actualizarla y expandirla segn los requerimientos del usuario tanto en materiales como en Condiciones de Borde evaluando una misma solucin con variables externas diferentes.

La base de datos de materiales de Therm y Usai permi-tira una evaluacin de costos al incorporar a cada uno



un valor, agregando a la eleccin criterios econmicos, adems de diseo y prestacionales.

4.4. Utilizar Therm y Usai como simuladores e incorporar un anlisis en base a Planillas deClculo permite desarrollar una sistematizacin en la evaluacin de soluciones tcnicas al cruzar datos aportados por estos diferentes medios que en-tregan variables complementarias al valor U. As, los detalles son analizados bajo parmetros que permi-

ten diferentes comparaciones y relaciones (U; RT; T; Comportamiento higrotrmico; Materiales utilizados; Espesores finales; Densidades). Este paso ayuda a pre-ver resultados que podra arrojar la Cmara Trmica. 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 Cmara Trmica sigue siendo la mirada a la realidad fsica de la solucin constructiva y por ello, el mtodo experimental es irreemplazable.

5. Referencias

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2. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, Artculo 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 Trmico del Ministerio de Vivien-da y Urbanismo Texto aprobado por resolucin exentaN 6227 (V. y U.).

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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). Reduccin del consumo energtico de edifi cios en Torre mediante atenuaciones de puentes trmicos en su envolvente, simulaciones con QUICK II, Alas, H. M.

7. Mara Ins Regodn y Jos Antonio Tenorio Ros, del Instituto de Ciencias de la Construccin Eduardo Torro-ja. Prdidas de calor y formacin de condensaciones en los puentes trmicos de los edifi cios.

8. Tilmans A. y Van Orshoven D. Belgian Building Re-search Institute (BBRI), Blgica. 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 Trmico del Ministerio de Vivien-da y Urbanismo Texto aprobado por resolucin exentaN 6227 (V. y U.).

10. Lawrence Berkeley National Laboratory (July 2006).Ma-nual Therm.

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11. Citterio M. y Cocco M.. Italian National Agency for New Technologies, Energy and Enviroment ENEA Italy. Heike Erhorn-Kluttig,Fraunhofer Institute of Building Physics - Germany. Thermal Bridge in the EBPD context: overview on MS approaches in regulations.

12. Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, Artculo 4.1.10. Manual de Aplicacin de la Reglamen-tacin Trmica.

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 Tcnicas: Fundamentos Tcnicos. Anexo A 2.2 Soluciones Constructivas para Acondicionamien-to Trmico en Muros MINVU.

15. Argentina. Ing. Msc Gallipoliti, Virgina A./Arq. M.Sc Jacobo, Guillermo J./Arq. Msc Alias, Herminia (2006). Evaluacin del comportamiento trmico 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


simulación y evaluación de puentes térmicos

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