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Estimados 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 Marín
Jefe de Línea de Investigación
Construcción Sustentable
Escuela de Construcción Civil
Pontificia Universidad Católica de Chile
RevConsPUC-N22.indb 1
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Director
Comité Evaluador:
PABLO MATURANA BARAHONA
Editora
VERÓNICA LATORRE, PhD
Dirección Postal
Revista de la Construcción:
Av. Vicuña Mackenna 4860,
Macul. Santiago de Chile
Escuela de Construcción Civil
Pontificia Universidad
Católica de Chile, Santiago
Fono:
56-2-354.74.98
Fax:
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, Pontificia 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 Pontificia Universidad Católica de Paraná.
MIGUEL ANDRADE GARRIDO: Doctor en Ciencias de la Educación, Pontificia Universidad Católica
de Chile, Profesor Adjunto.
56-2-354.48.63
LUIS BOBADILLA: Doctor, Universidad del Bío-Bío, Director del Centro de Investigación en
Tecnologías de la Construcción (CITEC).
e-mail:
[email protected]
PHILLIPPE LAGIÈRE: Doctor. Université Bordeaux 1, Director ejecutivo y responsable científico
ECOCAMPUS.
www.uc.cl/construc_civil
Esta publicación cuenta con
el aporte financiero de la
Vicerrectoría de Investigación
de la Pontificia Universidad
Católica de Chile
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.
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
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Sumario
4 ]
RevConsPUC-N22.indb 3
Temas y tendencias sobre residuos de construcción y demolición: un metaanálisis
Aldana, J.C. - Serpell, A.
17 ]
Residuo de mármol como insumo en la construcción civil - diagnóstico de la Comarca
Lagunera
P. Santos, A. C. - Villegas, N. - R. Betancourt, J.
27 ]
Evaluación del confort térmico en recintos de 10
edificios públicos de Chile en invierno
Molina. C. C. - Veas P. L
39 ]
Investigación de las vibraciones por tráfico en las construcciones patrimoniales de adobe
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
54 ]
Simplificación en los cálculos de esbeltez límite en E.L.U. de inestabilidad: diagramas
de interacción según la instrucción EHE-08
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
61 ]
Mapa de corrosión atmosférica de Chile: resultados después de un año de exposición
Vera, R. - Puentes, M. - Araya, R. - Rojas, P. - Carvajal. A.M.
73 ]
PHDC: sistemas de enfriamiento evaporativo, pasivos e híbridos para edificios – software
de prediseño
Sánchez, J. - Salmerón, J.M. - Molina, J.L. - Sánchez, F.J. - Álvarez, S.
92]
Simulación y evaluación de puentes térmicos
Soluciones constructivas típicas aprobadas por la Norma Térmica para elementos
verticales en estructura de madera y metálicos en la Zona 4
Simulaciones con Therm y Usai y evaluación con Método de Cámara Térmica
Muñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A
112 ]
Estudio de durabilidad y corrosión en morteros armados adicionados con toba volcánica
y ceniza de bagazo de caña de azúcar
Valencia W. - Mejía de Gutiérrez R. - Barrera J. - Delvasto S.
123 ]
Alto confort interior con mínimo consumo energético a partir de la implementación del
estándar “Passivhaus” en Chile
Hatt T. - Saelzer G. - Hempel R. - Gerber A.
135 ]
Evaluación de los artículos
136 ]
Normas de Publicación
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Topics and tendencies of
construction and demolition
waste: a meta-analysis
Temas y tendencias sobre
residuos de construcción
y demolición: un metaanálisis
Autores
4]
RevConsPUC-N22.indb 4
ALDANA, J.
Universidad de Medellín,
[email protected]
Medellín, Colombia
SERPELL, A.
Pontificia Universidad Católica de Chile
[email protected]
Santiago, Chile
Fecha de recepción
15/06/2012
Fecha de aceptación
24/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Resumen
En los últimos años, el tema de los residuos de construcción y demolición
(RC&D) ha sido el foco de numerosas
investigaciones resultando en una gran
cantidad de publicaciones. Algunos artículos 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 autor, 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 publicaciones ni tampoco presentan un compendio 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 mencionados son los materiales de residuo, las
cantidades generadas, entre otros. Estos resultados podrían ayudar a orientar
futuras investigaciones. Además, guiarían la priorización de los esfuerzos de
investigación en países en desarrollo los
que podrían concentrarse en analizar
la situación de los RC&D, las metodologías 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 demolición, meta-análisis.
Abstract
In recent years, the topic of construction
and demolition waste (C&DW) has been
the focus of numerous investigations
resulting in a large number of
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 quantities 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, metaanalysis.
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[
Aldana, J.C. - Serpell, A.
]
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[5
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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 efectos 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 agotamiento 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 consumidora 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 demolición han sido objeto de varios proyectos de investigación 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 investigación y por método de análisis de los datos. Adicionalmente, 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
6]
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[
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 especializada 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”, “deconstruction”, “reverse logistic”, entre otras. Se refinaron los resultados utilizando diferentes criterios.
Por ejemplo, para la base de datos Web of Science se
utilizaron categorías como “MANAGEMENT”, “ENGINEERING CIVIL”, “CONSTRUCTION SCIENCE TECHNOLOGY”, “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).
Aldana, J.C. - Serpell, A.
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Barreras para la gestión de residuos
12
Aplicaciones de materiales reciclados
12
Número de
artículos
Métodos de cuantificación de residuos
11
Fuentes de generación de residuos
11
Proceedings
26
Planes de gestión de residuos en obra
9
Resource, Conservation and Recycling
17
Definición de construcción sustentable
7
Waste Management
14
Definición de desarrollo sustentable
6
Construction Management
and Economics
12
Clasificación y/o categorías de RC&D
5
Impactos ambientales de los edificios
4
Definición de acciones de
gestión de RC&D
3
Tabla 1. Número de artículos por cada revista o
publicación
Nombre de la revista
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
3. Resultados, análisis y discusiones
Con la obtención de la frecuencia de los temas abordados 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
Cada publicación fue analizada para identificar sus
contenidos y, posteriormente, clasificarlos en una matriz. De esta manera se encontró la frecuencia en los
tópicos tratados en las 123 publicaciones. Por ejemplo, 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
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[
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. Definición 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 construcción, 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 demolición de casas, edificios industriales y comerciales,
y otras estructuras (Clark et al., 2006).
Aldana, J.C. - Serpell, A.
]
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• 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 tierra, 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 reparación de residencias individuales, edificios comerciales, y otras estructuras de ingeniería civil (Huang
et al., 2002).
• Residuos generados de varias actividades de construcción incluidas excavación, construcción civil y
de edificios, limpieza de sitios, actividades de demolición, 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), proyectos de repavimentación de caminos, reparación de
puentes, y limpieza asociada con desastres naturales y humanos (Zhao et al., 2009; y Lu et al., 2006).
• Materiales no deseados generados durante la construcción, incluyendo estructuras y materiales rechazados, 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 construcción, 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 gaseoso 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
8]
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[
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 presentarse, 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 información acerca de los tipos y tamaños de materiales
en los documentos de diseño, error en la información 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, daños 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 material 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 vándalos (Bossink y Brouwers, 1996); determinación de
tipos y dimensiones de materiales sin considerar desperdicios 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 donde 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.
Aldana, J.C. - Serpell, A.
]
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3.1.3. Clasificación y/o categorías de RC&D:
Poon et al. (2001) proponen clasificar los RC&D en
cinco categorías: materiales de obras viales, suelo excavado, 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 excavación, 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.
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) reportan 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 cuantificación de RC&D:
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
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 m 2 de actividad de construcción se
generan 50 m 3 de residuos, cada demolición equivale
a la construcción de 60 m 2 y el volumen generado de
residuos es de 114 m 3 y, finalmente, el valor promedio
de la densidad de los RC&D es 1.5 toneladas/m 3.
Kourmpanis et al. (2008) calcularon la cantidad de
residuos de demolición en Chipre a través de la siguiente ecuación:
DW = ND x ANF x AS x DWB x D
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) reportan que en Holanda son el 26%, en Estados Unidos
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[
Donde DW es la cantidad de residuos de demolición
(en toneladas); ND es el número de edificios demolidos; ANF es el número promedio de pisos por cada
edificio demolido; AS es el área promedio del edificio
demolido (130 m 2); DWB es el volumen de residuos generados por cada 100 m 2 de área de edificio demolido
(80 m 3 por cada 100 m 2); y D es la densidad promedio
de los residuos generados (1.6 toneladas/m 3).
SMARTWasteTM es otro método de cuantificación
utilizado en el Reino Unido y se basa en información
obtenida de experiencias anteriores y calcula el volumen de los residuos en 13 categorías, por ejemplo:
cerámica, hormigón, pallet de madera, etc. (SolísGuzmán, 2009).
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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 Residuos 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 (m 3) por cada m 2 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 construido y la cantidad empírica de residuos (por peso)
por metro cuadrado del edificio.
Si bien se han desarrollado metodologías de estimación de los residuos no se dispone de estudios científicos 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 aplicaciones, 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 administración 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
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a las anteriores: reducir, reutilizar, reciclar, compostaje,
incinerar, y botaderos.
Estas jerarquías no tienen una visión desde la perspectiva 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 Sustentable 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 compostaje 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 colaborativo, diseño para la edificabilidad, definición del
proyecto, diseño de matriz de estructura, modelos 3D,
equipos funcionales cruzados, intercambiar información incompleta (Polat y Ballard, 2004), diseñar para
la deconstrucción, utilizar dimensiones y unidades
estandarizadas, utilizar unidades de prefabricados,
especificar materiales reciclados, utilizar materiales estandarizados, 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 construcción puedan ayudar en la toma de decisiones durante
la etapa de diseño (Ekanayake y Ofori, 2000), utilización 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 reciclados en diseños, diseñar para reciclar y facilidad de
desmontaje (Keys et al., 2000).
En la etapa de construcción del proyecto se reportan: estructurar el trabajo, entrenar a proveedores,
asociación (Polat y Ballard, 2004), informar a los pro-
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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 Hamani, 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 cuidadosamente 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 manipulación de materiales (Poon et al., 2004), manipular
los materiales con suficiente cuidado, controlar cuidadosamente la manipulación de materiales (Chen et
al., 2002), prevenir la doble manipulación, asegurar
la adecuada manipulación de equipos para evitar daños 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 lugar 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 prefabricación 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 gestión 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-
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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 nombre 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 recompensas (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 cantidades 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 dependiendo 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
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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).
Vidrio
Sustituto 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. Beneficios 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, reducción 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
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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), reducción 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
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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.
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%.
3.2.6. Barreras para gestionar los RC&D:
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 individuales 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.
Algunos autores han identificado las barreras o dificultades 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 minimización de RC&D. Por ejemplo, Osmani et al. (2007)
reportan, la falta de interés de clientes, legislación,
premios financieros, políticas de administración de residuos 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 sistemáticos 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, diferentes 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
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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 volumen 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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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]
Durango, México
VILLEGAS, N.
Universidad Juárez del Estado de Durango,
[email protected]
Durango, México
BETANCOURT, J.
Universidad Juárez del Estado de Durango,
[email protected]
Durango, México
Fecha de recepción
16/06/2012
Fecha de aceptación
24/07/2012
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[ 17
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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 desarrollo, han obligado 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 industria de la construcción civil, y
como consecuencia de ello se ha convertido 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 fabricación de ladrillos. Los resultados
muestran que es de fundamental importancia 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 systems 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.
18 ]
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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 tecnologías que por sí mismas suponen la aparición de
diferentes problemas ambientales. El consumo desmedido de los recursos naturales, así como el aumento
de los residuos generados en la mayor parte de las
actividades causantes de este desarrollo, han obligado 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 industria 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 residuos, principalmente lodos y polvos procedentes de su
elaboración (Zhi & Gibbs, 2005). Estos residuos generan 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 acumulación 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 depositados 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)
páginas: 17 - 26
RevConsPUC-N22.indb 19
[
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, originando cáncer (Cuervo et al., 2003). Es necesario enfatizar que estas enfermedades no solo corresponden
al personal que labora dentro de las empresas, sino
también a las personas que viven en comunidades vecinas 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 transportan 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 daños 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)
Millones de pesos mexicanos
1. Introducción
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Coahuila
Durango
2005
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2006
2007
2008
2009
Año
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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, Dirección 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 depositaban 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 simple 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 materiales 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 mineralógicamente por calcita de manera mayoritaria, con
cuarzo y huntita Mg 3Ca(CO 3) 4 (Shahul 2009).
Por otro lado, los consumos de agua en dicha operación son de aproximadamente 1,5 m 3/m 2 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
Agua
Lodo, polvo, retal
Tratamiento superficial
Material particulado, lodos
Diseño
Tallaje
Quemado de imágenes
Ácidos, agua
Aguas ácidas, sales
Pulido
Agua
Agua, pinturas,
adhesivos
Lodo, polvo
Aguas de lavado, COV's,
residuos sólidos
Acabado
Producto final
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El residuo utilizado en este trabajo ha sido recolectado 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 resaltar 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 granalla 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 carbonato cálcico (CaC0 3 ). 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 heterogeneidad de color.
Entre los usos más comunes de los residuos del mármol
se puede destacar: en la industria del cemento, desulfurante, aplicaciones en la industria del papel (hasta
un 25%), elaboración de pinturas (hasta un 30%) mejorando 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 artificiales, 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 mármol es una adición efectiva para mejorar la cohesión
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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 modificaciones 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 microestructurales 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, Alyamac 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 ambiente.
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
Valor
95%
Fe
Al
0.038% 0.10%
SiO2
1.02%
En ella se puede observar que el RM está conformado
básicamente por carbonato de calcio. Estas concentraciones de los componentes son adecuadas para
la fabricación de productos de construcción con cemento, 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/cm 3, 2.65 g/cm 3 y 2.68 g/cm 3 respectivamente.
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 físicoquímicas 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.
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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 referente 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.
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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.
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.
Se puede observar que el revenimiento no ha sido influenciado por la adición de RM, eso se debe a que el
Tabla 2 - Dosificaciones 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
Revenimiento (cm)
M10
M20
M30
M40
M50
M60
M70
M80
16
14
16
15.5
15.5
19
16
20
16
Resistencia 7
días (kg/cm 3)
162
165
123
127
107
90
70
60
58
Resistencia 28
días (kg/cm 3)
221
205
164
147
130
115
108
104
87
250
resist 7
resist 28
200
150
100
50
0
0
10
20 30
40
50
60
70
% de residuo de mármol (%RM)
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80
Resist a compresión (kg/cm2)
Resist a compresión (kg/cm2)
Figura 4 - a) Revenimiento b) Resistencia a compresión
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
% de residuo de mármol (%RM)
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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 condición 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 resultados 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 NMXC-404 limita como resistencia mínima para ladrillos
estructurales 100 kg/cm 3 y para ladrillos no estructurales 60 kg/cm 3. 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.
24 ]
RevConsPUC-N22.indb 24
Revista de la Construcción
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[
Tabla 4 Resultados de los ladrillos a base de RM
Muestra Cemento
Agua/ Resistencia
Absorción
(c+RM)
kg/cm 2
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 bastante 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 incorporación de RM para la fabricación de hormigón convencional 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, considerando la humedad del residuo y que evite la pérdida
de resistencia a compresión del material.
4. Agradecimientos
Los autores de este trabajo manifiestan su agradecimiento 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.
P. Santos, A. C. - Villegas, N. - R. Betancourt, J.
]
páginas: 17 - 26
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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
edificios públicos de Chile
en invierno
Autores
MOLINA, C.
Pontificia Universidad Católica de Chile
[email protected]
Santiago, Chile
VEAS, L.
Pontificia Universidad Católica de Chile
[email protected]
Santiago, Chile
Fecha de recepción
18/06/2012
Fecha de aceptación
24/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
RevConsPUC-N22.indb 27
[ 27
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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 ambientales 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 índices 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, correlacionándose positivamente con las encuestas 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 investigaciones vayan en aumento dada
la real necesidad del país de contar con
recintos confortables que mejoren la productividad 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
acceptability in 4 schools mainly
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 productivity
and user acceptance for their work
environment
Keywords: Thermal comfort, PPI, PMV, Adaptation.
28 ]
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[
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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 sistemas 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 estandarizar 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 desempeño. Numerosos estudios (Frontczak & Wargock,
2011; Mahdavi & Unzeitig, 2005) demuestran que el
rendimiento está estrechamente relacionado con las
condiciones ambientales, que estas condiciones cambian de una persona a otra, y dependen de múltiples
factores como: luz natural, iluminación, ruido ambiental, 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 partir de los datos climáticos y estimaciones de uso
del lugar. Estas conllevan a controlar las pérdidas y ganancias 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 realizando 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 distintos enfoques de análisis.
a) Confort ambiental
Enfoques racional y adaptativo
“Una persona se encuentra confortable cuando puede 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
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RevConsPUC-N22.indb 29
[
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 fundamentada principalmente en los estudios de Fanger y
el balance térmico. Este enfoque no toma en cuenta
variables como el contexto, los mecanismos de aclimatación del usuario, variables demográficas, y psicológicas. 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
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Revista de la Construcción
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[ 29
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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 confort, 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: vestimenta, 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 escala 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 Previsto 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) clasifica 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 ambiente 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 Insatisfechos (PI) y permite correlacionar estos resultados
con los correspondientes a la percepción objetiva de
neutralidad térmica.
Diversos estudios (van Hoof & Hensen, 2007) han demostrado 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 indicadas por las normas. Sin embargo, son irrelevantes
en estudios de laboratorio en cámara climática, como
lo hizo Fanger.
Las normas usadas actualmente pretenden ser aplicables a cualquier tipo de edificio, cualquier tipo de
ventilación, patrón de ocupación y zona climática.
A partir de esta hipótesis, el desafío de los investigadores y profesionales involucrados en el tema es
realizar estudios de campo para comprobar su eficacia
a menor escala.
2. Caracterización de los edificios
Tabla 1: Características de los 10 edificios estudiados
II
III
X
XI
XI
Edificios
1
3
5
7
9
41°27'26.19"S Latitud
45°23’71’’S
72°55'43.33"O Longitud
72°41’18’’O
Datos climáticos
Región
30 ]
RevConsPUC-N22.indb 30
Latitud
23°39'05'' S
Latitud
Longitud
70°24'07'' O Longitud
27º 15’ S
Latitud
39º7’0,07’’S
Latitud
70º 46’ O
Longitud
71º28’23,48'', O Longitud
Altura
8 msnm
geográfica
Altura
210 msnm
geográfica
Altura
839 msnm
geográfica
Altura
15 msnm
geográfica
Altura
8 msnm
geográfica
Tipo de
clima[1]
Tipo de
clima
Tipo de
clima
Tipo de
clima
Tipo de
clima
Norte Litoral
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Norte Litoral
[
Sur Interior
Molina. C. - Veas L.
]
Sur Litoral
Sur extremo
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II
III
X
XI
XI
Edificios
1
3
5
7
9
Datos climáticos
Región
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
85 msnm
geográfica
Altura
381 msnm
geográfica
Tipo de
clima
Tipo de
clima
Norte Litoral
Altura
420 msnm
geográfica
Norte Valles Tipo de
Transversales clima
Sur Interior
Altura
15 msnm
geográfica
Altura
148 msnm
geográfica
Tipo de
clima
Tipo de
clima
Sur Litoral
Sur extremo
Fuente: elaboración propia.
3. Toma de datos
A partir del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 145706 desarrollado por un consorcio tecnológico coordinado 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 verano, 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 interrogantes, 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
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RevConsPUC-N22.indb 31
[
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 considerados 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, comportamiento, 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 recomendaciones de diseño de los ambientes evaluados o de manejo 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.
Molina. C. - Veas L.
]
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
[ 31
08-11-12 18:18
5. Metodología de análisis
Para calcular el porcentaje de personas que se encuentran 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.
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 usuarios tales como la vestimenta y actividad metabólica.
El segundo enfoque del estudio es de tipo adaptativo, 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)
Los datos ambientales registrados se encuentran dentro 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 registraron valores de humedad relativa levemente mayores
al 70% recomendado. Para efectos de este análisis,
fueron consideradas geográficamente como zona norte las regiones II y III; como zona sur las regiones IX y
X; y como zona extremo sur la XI Región.
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.
6. Resultados
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).
Los resultados de ambos métodos, es decir, los obtenidos usando la ecuación de Fanger y los recogidos por
las encuestas, se muestran a continuación:
Tabla 2: Resultados y clasificación de los recintos durante el invierno de acuerdo a dos referencias internacionales. Los
resultados PMV y PPI corresponden al promedio del día
ISO 7730
ASHRAE 55
T°
OPERATIVA
T°
EFECTIVA
ACEPTABLE
CLASE B
20,5
20,33
66,67
N/A
CLASE C
20,5
19,1
12,9
50
N/A
CLASE C
19,8
17,9
0,7
5,0
33,3
ACEPTABLE
CLASE A
20
21,25
-2,0
-2,0
76,2
71,4
N/A
N/A
19,8
9,75
ESCUELA
-1,0
-0,7
25,7
12,5
N/A
N/A
19,8
14,95
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
EDIFICIOS
REGIÓN
USO
PMV
MV
PPI
PI
MOP
II
OFICINA
-0,3
-0,4
6,5
30
LABOCAR
II
OFICINA
-0,5
-1,7
10,3
AEROPUERTO
III
SERVICIO
-0,6
-1,3
MOP
III
OFICINA
0,0
RUCAMANKE
IX
ESCUELA
FCO VALDÉS
IX
PDI
Fuente: elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
32 ]
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7. Discusión
En general se obtuvo una diferencia entre el PMV y la
aceptabilidad real del usuario MV (ver Tabla 1), además 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 adaptación 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 adaptación o climatización que tienen los usuarios viene
dado por una respuesta de sí mismo para ajustar las
variables del ambiente según sus preferencias y niveles 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. 1213). 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 ambientales durante un tiempo, se desencadenan procesos 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 libertad 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, forma 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 – Edificio 1, invierno.
Figura 2: IX Región – Edificio 6, invierno
-0,1
-0,7
-0,7
-0,7
-0,9
-0,3
-0,3
-0,4
-1
-0,6
-0,8
-1,8
Mañana
Tarde
PMV
Día
Mañana
MV
Tarde
PMV
Día
MV
Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
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todos los edificios de oficinas y salas de clases, en que
los usuarios permanecen durante prolongadas horas
del día bajo las mismas condiciones ambientales.
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.
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.
En los edificios de oficinas, incluido el edificio de servicio, 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).
De acuerdo a los estándares establecidos en las normas
y referencias internacionales, según los datos registrados 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).
La variable temperatura de la ecuación de Fanger se
muestra como de suma importancia y afecta en consideración 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
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 condiciones más cálidos que los definidos por Fanger para
la época de invierno. Esta diferencia entre las correspondientes temperaturas neutrales para un mínimo PI,
produce un desplazamiento del “Neutro” (valor 0) en
la escala de sensación térmica (MV) hacia la zona o
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
1,5
1
III Región
2
3
IX Región
4
5
X Región
6
7
XI Región
8
9
10
1,0
0,6
0,5
0,2
0
PMV
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-0,1
-0,3
-0,5
Mañana
Tarde
Promedia día
Clase A
Clase B
Clase C
-1
-2,0
-1,1
-2
-2
-2,5
EDIFICIO EN INVIERNO
Fuente: elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
34 ]
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Figura 4: Porcentaje de Personas Insatisfechas (PPI) de los 10 recintos durante las mediciones de invierno
II Región
1
III Región
2
3
IX Región
4
5
X Región
6
7
XI Región
8
9
10
80,0
76,20
Mañana
Tarde
Promedia día
78,40
Clase A
Clase B
Clase C
PP [%]
60,0
40,0
30,20
25,70
20,0
10,30
12,90
6,50
5,00
5,80
5,20
0,0
EDIFICIO EN INVIERNO
Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO. N° 09 CN 14-5706
Figura 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
Humedad absoluta (g/kg aire seco)
25
Confort verano
Confort invierno
Edificios
20
15
1
2
10
3
9
5
8
4
7
5
6
10
0
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Temperatura (Cº)
Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
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Figura 6: Voto Medio Previsto (PMV) de los 10 recintos a partir de las mediciones de verano. Destacan los edificios del sur,
donde se mantienen las condiciones durante todo el año
II
III
1
2
IX
3
4
X
5
6
XI
7
8
9
10
1,5
1,0
0,8
0,6
0,5
0,3
PMV
0,2
0,0
-0,1
-0,3
-0,5
-0,5
-1,0
Clase A
Clase B
Clase C
Mañana
Tarde
Promedia día
-1,5
-1,2
-1,4
-1,7
-2,0
EDIFICIOS
Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
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 edificios
II
1
III
2
IX
3
4
5
X
6
7
XI
8
9
10
61,60
60,0
Mañana
Tarde
PPD Promedio
Clase A
Clase B
Clase C
48,10
40,0
PPI [%]
33,60
18,80
20,0
12,40
10,20
7,10
5,50
5,40
6,40
0,0
EDIFICIOS
Fuente: Elaboración propia, con datos obtenidos del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
36 ]
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estos edificios clase A es de +1,35°C, correlacionándose 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 correlaciona 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 cumple 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 temperatura negativa, es decir, bajo la óptima, fueron
clasificados según la norma ISO7730 como inaceptable, 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 Confort (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 percepción del ambiente térmico de cada uno de los usuarios
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[
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 estudiados para época de invierno, a preferir temperaturas 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 sentirse 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 internacionales 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 temperaturas interiores.
Las referencias citadas son una buena herramienta
para tener un primer análisis sobre el confort térmico
de estos edificios independiente del sistema de calefacción 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 calefacción o enfriamiento de los edificios.
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Volumen 12 No 22 - 2012
[ 37
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Este artículo se realiza con parte de los resultados del proyecto INNOVA/CORFO N° 09 CN 14-5706.
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Research of adobe
heritage buildings
by traffic vibration
Investigación de las
vibraciones por tráfico
en las construcciones
patrimoniales de adobe
Autores
MORÁN PROAÑO, M.
ÁLVAREZ RODRÍGUEZ, O.
Pontificia Universidad Católica del Ecuador,
té[email protected]
Quito, Ecuador
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,
[email protected]
La Habana, Cuba
Fecha de recepción
16/06/2012
Fecha de aceptación
17/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
RevConsPUC-N22.indb 39
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Resumen
Para investigar sobre la respuesta dinámica ofrecida por los muros de mampostería de adobe en las construcciones
antiguas solicitadas por tráfico vehicular 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 interpretación 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 respuesta, establecidos en las normativas
internacionales. En torno al resultado
de la investigación: los comentarios
enfatizan sobre el comportamiento estructural de los muros agrietados de
mampostería de tierra sometidos a microvibraciones; 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 sugiriendo 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
heritage buildings of adobe and
adobón masonr y; for the dynamic
study response of the buildings to heavy
traffic vehicular.
Those buildings of the sample
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
walls` as representative 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.
40 ]
RevConsPUC-N22.indb 40
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Volumen 12 No 22 - 2012
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Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
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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 afectación que las vibraciones ambientales por tráfico
vehicular podrían causar en esta tipología constructiva.
La muestra, fueron edificaciones del Centro Histórico de Cuenca (Ecuador), localizadas en la calle Juan
Jaramillo, considerada como arteria principal para la
movilidad vehicular.
Como conclusión, el estudio enfatiza sobre las formas 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 ambientales producidas por el tráfico vehicular.
• El estado de degradación y/o fisuración de los
muros y de los sistemas de entrepiso y cubierta; se consideraron y observaron los daños por la
actividad sísmica, las intervenciones inconsultas
y/o las afectaciones por asentamientos y desplazamientos del suelo de cimentación 1.
• Las observaciones cualitativas de la degradación 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 localización 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.
Objetivos
• Probar, de manera científica y objetiva, si existen
o no afectaciones y daños en los muros de las edificaciones 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. Definición y selección de la muestra para el
estudio
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 construcciones.
La comparación entre los rangos de magnitud y los
niveles de serviciabilidad determinados por las Normativas Internacionales para vibraciones ambientales 2,
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 degradación en las edificaciones similares a la de la muestra
en la calle de 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 conservación aseguraba una acción de arrostramiento con
los muros.
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[
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).
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
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[ 41
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2. Tipología de las edificaciones en el
sitio de estudio
Ubicación del sitio: La calle Juan Jaramillo, localizada
en el Centro Histórico de la ciudad de Cuenca, es calificada 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.
Pocas edificaciones, como el caso del Hotel Príncipe,
por ejemplo, conservan sus formas tradicionales gracias 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. 1: Localización de la calle Juan Jaramillo en
Cuenca, Ecuador
Fig. 3: Casas en regular estado, abiertas al comercio en
planta baja
2.1. Estado actual y patología de las edificaciones 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.
42 ]
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Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
páginas: 39 - 53
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3. Selección de la muestra para el
estudio
Para el estudio, se escogieron a seis edificaciones antiguas 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 edificado 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 fisuración 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.
4. Estudio del comportamiento
dinámico de los muros patrimoniales de
adobe por tráfico vehicular
4.1. Antecedentes
Los muros agrietados de las edificaciones antiguas de
tierra (adobe, ladrillo, adobón), evidencian la vulnerabilidad sísmica de esta tipología constructiva, y la
fragilidad del material (adobe), cuyo resultado es la
discretización de los muros en segmentos independientes, 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 dinámico no ha sido científicamente definido. En este
estudio se trata de medir y definir la respuesta a las
vibraciones de cada segmento 4 en el estado actual de
discretización.
En este contexto de muro agrietado, la forma arquitectónica (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 respuesta 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
edificaciones en tierra
Los modelos matemáticos, desarrollados para estructuras de materiales elásticos, no son aplicables para definir
el comportamiento estructural de los segmentos individualizados de los muros de adobe, adobón y ladrillo.
Para esta investigación las mediciones de la respuesta
dinámica por tráfico vehicular de los sistemas murarios
3
La calificación cualitativa del estado actual de las edificaciones de adobe, fue realizada mediante el uso de formularios 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.
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[
4
Morán M., Memorias del Seminario Taller, Reforzamiento
Estructural en las Edificaciones Patrimoniales, 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.
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
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de mampostería de adobe, se realizaron por instrumentación 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 predominante, la aceleración, la velocidad y los desplazamientos, que fueron aceptados como la respuesta de
un segmento de muro discretizado.
La comparación de los resultados (espectros de respuesta) entre los sensores localizados a nivel del suelo,
con los obtenidos a nivel de entrepiso, permitió conocer 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 H s/V s 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 blandos, por eliminación de los efectos de fuente. Para el
estudio en la calle J. Jaramillo, se aplicó los principios
de la relación espectral H s/V s 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 estacionarias 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
44 ]
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[
variable de la fuente (vehículo), donde las ondas
de alta frecuencia (período corto) no son atenuadas significativamente, como sucede en el caso de
fuentes estacionarias 7 . 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 frecuencias.
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 partícula, 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, velocidades y aceleraciones:
u = v/ω = a/ω 2; de donde: v = a/ω
u = Amplitud máxima del desplazamiento; v =
amplitud máxima de la velocidad; a = amplitud 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 correspondiente, el modo de vibración para la frecuencia
más alta, se denomina período o frecuencia fundamental 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 ponderación 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.
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
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la masa (M), cuyo período de vibración fundamental
no amortiguado (T) está dado por:
Τ= 2 π/ω= 2π (M/K) 1/2
5. Obtención de registros acelerográficos
5.1. Instrumentación de los muros:
Si el proceso se repite modificando el período de vibración 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 coeficiente de amortiguamiento dado.
En las edificación de la muestra se instrumentó los
siguientes muros: de fachada, posterior (paralelo al
de fachada), e intermedio normal al de fachada 10 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).
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 desplazamientos 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 vehicular 9.
5.2. Resultados de las mediciones dinámicas por
tráfico vehicular en las edificaciones 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 2 11 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).
Tabla 1. Esquema de ubicación de sensores
Localización
P. Baja
P. Alta
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
•
Localización
PLANTA
ELEVACIÓN
10 La localización de los sensores se presentan esquemáticamente en la Tabla 1.
9
En el Anexo 2, se presenta las especificaciones del equipo
utilizado para las mediciones y las recomendaciones observadas en el proceso.
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[
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.
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
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Tabla 2. Resumen de resultados de Frecuencias (f) y Ganancias (Amplif.)
Muro frontal
Muro lateral
Muro posterior
Muestra
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
4,65
0,22
1,70
2,84
0,35
1,00
14 Sra. María Moscoso
2,27
0,44
1,30
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)
Valores máximos
Muestra
1
2
3
4
6
8
a (cm/s 2)
v (cm/s)
Valores promedio
e (cm)
a (cm/s 2)
v (cm/s)
e (cm)
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
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
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
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
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
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
Casa Imprenta León
Casa Sra. Maruja Vega
Casa Hotel Príncipe
Casa Jorge Moscoso
Casa Flia. Orquera
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.
46 ]
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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 predominante 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-muro 12, 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 espectrales detectados en los muros de las plantas baja
y alta. La importancia de estos parámetros está vinculada 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 respuesta 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 3 13, fueron analizados y
discutidos con los parámetros normativos interna-
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 velocidad; mientras que las construcciones de mampostería
de tierra, por su lado, para la serviciabilidad y seguridad
de la edificación incorporan los parámetros de magnitud 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 Hz
Período (s)
Aceleración (m/s 2)
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
12 Sarria, Alberto, Ingeniería Sísmica, Ediciones Unidas,
Universidad de los Andes, Bogotá, D.E., Colombia, 1990.
la muestra No. 3 para el muro lateral por encontrarse fuera
de rango.
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
14 Norma ISO 6897, Norma ISO 2631, ISO 2631 – 77, Norma
DIN 4150 (part. 3).
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6.1.1. (Norma ISO 6897)
6.1.2. Norma ISO 2631
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).
La Norma determina los valores máximos de aceleración de confortabilidad en tres ejes x, y, z 15, para
vibraciones entre 1.0 Hz y 80.0 Hz.
Aceleraciones mayores a los valores indicados, ocasionarán 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)
a z (m/sg 2)
(Vertical)
a x- a y (m/sg 2)
(Horizontal)
Los valores de la Tabla 5 son el umbral de confortabilidad; 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/s 2 (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
1.00 (1.00)
5.60
2.00
1.25 (0.80)
5.00
2.00
1.60 (0.625)
4.50
2.00
6.1.3. Norma ISO 2631-77
2.00 (0.500)
4.00
2.00
2.50 (0.40)
3.55
3.15
3.15 (0.32)
3.15
4.00
Esta Norma establece una limitación al desplazamiento, entre 3mm y 5mm, para controlar aspectos de
la sensibilidad humana y afectaciones en materiales
anelásticos.
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
Edificaciones antiguas en mal estado
25 mm/s
16.00 (0.062)
5.60
16.00
Edif. en muy mal estado de construcción
12 mm/s
20.00 (0.050)
7.10
20.00
12 mm/s
25.00 (0.040)
9.00
25.00
Edificios con estructura de madera
y paredes de mampostería.
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
48 ]
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[
Tabla 7. Valores referenciales para máxima velocidad
Velocidad (mm/s)
Tipo de Edificación
(Velocidad máxima de partículas)
Edificaciones muy sensibles a vibraciones
Velocidad máx. para control de daños
Velocidad
mm/s
8 mm/s
50 mm/s
15 El sistema de coordenadas está referenciado de la siguiente
manera: x al frente, y lateral, z vertical
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
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6.1.4. Otras referencias:
Tabla 8. Valores Máximos de Velocidad (mm/s) según
DIN 4150 Velocidad (mm/s)
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.
Tipo de
edificación
Frecuencia
< 10 Hz
Comercial e
industrial
6.1.5. Norma DIN 4150 (parte 3)
Viviendas y
edificios
5 mm/s
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.
Estructuras
delicadas,
sensibles a
la vibración
3 mm/s
Valores que superen a los máximos establecidos pueden generar daños visibles en los elementos murarios;
estos límites se señalan en la Tabla 8.
10-50Hz
50-100 Hz
20 mm/s 20-40 mm/s 40-50 mm/s
5-15 mm/s 15-20 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 microvibraciones producidas por el tráfico vehicular de la calle J.
Jaramillo.
Tabla 9. Cuadro comparativo de aceleraciones
Muro frontal
Frecuenc. (Hz)
Muestra #
01 Pb
Flia.Tenorio
Pa
02 Pb
Imprenta León
Pa
03 Pb
M. Vega
Pa
04 Pb
H. Príncipe
Pa
06 Pb
J. Moscoso
Pa
08 Pb
Flia. Orquera
Pa
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RevConsPUC-N22.indb 49
[
Aceler. H
(cm/seg 2)
Aceler.V
(cm/seg 2)
Norma
aplicada
Acel.máx
(cm/seg 2)
Calif.
9.46
0.016
0.033
ISO 2631
280
Cumple
9.53
0.124
0.142
ISO 2631
280
Cumple
7.938
0.062
0.028
ISO 2631
280
Cumple
7.823
4.685
4.685
ISO 2631
280
Cumple
3.999
0.013
0.211
ISO 2631
280
Cumple
3.112
0.055
0.022
ISO 2631
280
Cumple
3.439
0.020
0.061
ISO 2631
280
Cumple
0.718
0.141
0.285
ISO 6897
18.9
Cumple
7.707
0.037
0.029
ISO 2631
280
Cumple
0.718
0.050
0.045
ISO 6897
18.9
Cumple
4.375
0.577
0.146
ISO 2631
280
Cumple
3.656
0.022
0.110
ISO 2631
280
Cumple
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]
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Volumen 12 No 22 - 2012
[ 49
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Tabla 10. Cuadro comparativo de velocidades
Muro Frontal
Frecuenc. (Hz)
Muestra #
01 Pb
Flia. Tenorio
Pa
02 Pb
Imprenta León
Pa
03 Pb
M. Vega
Pa
04 Pb
H. Príncipe
Pa
06 Pb
J. Moscoso
Pa
08 Pb
Flia. Orquera
Pa
Velocidad
(cm/seg)
Norma
aplicada
Veloc. máx
(cm/seg)
Calif.
9.46
0.002
DIN4150
0.30
Cumple
9.53
0.003
OTRAS
0.80
Cumple
7.938
0.002
DIN4150
0.30
Cumple
7.823
0.314
OTRAS
0.80
Cumple
3.999
0.001
DIN4150
0.30
Cumple
3.112
0.002
OTRAS
0.80
Cumple
3.439
0.004
DIN4150
0.30
Cumple
0.718
0.007
OTRAS
0.80
Cumple
7.707
0.002
DIN4150
0.30
Cumple
0.718
0.001
OTRAS
0.80
Cumple
4.375
0.009
DIN4150
0.30
Cumple
3.656
0.001
OTRAS
0.80
Cumple
Tabla 11. Cuadro comparativo de desplazamientos
Muro Frontal
Desplaz. (cm)
Frecuencia. (Hz)
Muestra #
01 Pb
Flia. Tenorio
Pa
02 Pb
Imprenta León
Pa
03 Pb
M. Vega
Pa
04 Pb
H. Principe
Pa
06 Pb
J. Moscoso
Pa
08 Pb
Flia. Orquera
Pa
50 ]
RevConsPUC-N22.indb 50
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
[
Norma
aplicada
Desplaz.
máx. (cm)
Calif.
9.46
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
9.53
0.001
IS0 2631
0.300
Cumple
7.938
0.001
IS0 2631
0.300
Cumple
7.823
0.119
IS0 2631
0.300
Cumple
3.999
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
3.112
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
3.439
0.001
IS0 2631
0.300
Cumple
0.718
0.001
IS0 2631
0.300
Cumple
7.707
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
0.718
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
4.375
0.001
IS0 2631
0.300
Cumple
3.656
0.000
IS0 2631
0.300
Cumple
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
páginas: 39 - 53
08-11-12 18:18
7. Conclusiones
6.3. Discusión de resultados
La discusión técnica se fundamentó en los parámetros
medidos en el muro frontal de fachada, elemento considerado 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, corresponden 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 edificaciones 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 manera, 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, corresponde a un desplazamiento límite de percepción humana; desplazamientos mayores ocasionarán molestias
a los usuarios. El valor límite (ISO 2631-77) para el
desplazamiento es superior al rango de los desplazamientos obtenidos en la muestra, demostrando que
el tráfico vehicular no será causa de molestias a los
usuarios.
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 agrietamiento 16 prescindiéndose
así de la trama muraria y facilitando la comprensión
de la respuesta dinámica de los muros de mampostería 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 vehicular 17 en función del estado actual de fisuración
de los muros.
7.4. El Acápite 6.3, ‘Discución de resultados’, permitió calificar el comportamiento estructural de
respuesta de los muros patrimoniales discretizados
de mampostería de tierra, como “muros no vulnerables 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 cualitativamente 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 mamposterías, 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, estructuralmente 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.
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[
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
]
Revista de la Construcción
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[ 51
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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 prácticas constructivas en la realización de excavaciones y sobrecargas por cambios de uso.
–
Readecuaciones inapropiadas de las mamposterías 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 conservación del patrimonio construido; y, establecer
mecanismos de control de las autoridades encargadas de la conservación patrimonial, para garantizar la bondad y aplicabilidad de los materiales y
sistemas resistentes a ser utilizados en las intervenciones de remodelación y adecuación sísmica.
8.2. Precautelar la seguridad de los usuarios y transeúntes ante la amenaza del posible colapso de las
edificaciones en mal estado por causa del abandono o falta de mantenimiento.
Bibliografía
Ojeda, A., Evaluación de Efectos de Sitio para la
Microzonificación Sísmica de Pereira, Revista de la Red
Sismológica Regional del Eje Cafetero Viejo Caldas y
Tolima, p. 2-15, 1999, Colombia.
Meneses, J., Microtrepidaciones: Fundamentos y Análisis,
CISMID, Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional
de Ingeniería, 1998, Lima-Perú.
Lachet, Corinne and Yves Bard, Pierre, Numerical and
Theoretical Investigations on the Possibilities and
Limitations of Nakamura’s Technique, 1994. “Francia.
Álvarez, S., González, M., Montalvo, J. C., Acosta, J. G.,
Medición de Períodos Dominantes con Microtremores
en la Ciudad de Tijuana, B.C., 1994, CICESE, México.
Mucciarelli, M., Reliability and Applicability of Nakamura’s
Technique Using Microtremors: An Experimental
Approach, 1998, ISMES, Italia.
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.
Sarria, A. Ingeniería Sísmica. Ediciones Unidas, Universidad
de los Andes, 1990, Bogotá, Colombia.
Kazuyoshi, K. Practical Estimates of Site Response State-Art
Report. 1995, Niza, Italia.
Morán, M., Criterios para Evaluar las Patologías en las
Construcciones de Tierra en Zonas Sísmicas. Memorias
del Seminario Taller, Reforzamiento Estructural en las
Edificaciones Patrimoniales. p. 83-101. FONSAL, 2004,
Quito, Ecuador.
52 ]
RevConsPUC-N22.indb 52
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
[
Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
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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 JARAMILLO
CUENCA
ECUADOR
EVALUACIÓN CUALITATIVA
ESTRUCTURAL DEL ESTADO ACTUAL
MARIO MORÁN P. INGENIERÍA CIA. LTDA.
CASA
No.
Flia.Orquera
7-59/61
FECHA: 28/5/2008
CIMIENTOS
x
MUROS PB
x
MUROS PA
x
ENTREPISO N
CUBIERTA
3. DEGRADACIÓN MURARIA
3.1-
3.2-
3.3-
x
x
X
X
G
VALOR MÁXIMO
CALIF.
LIGERO/3
LIGERO/3
LIGERO/2
12
12
6
30
12
12
6
30
MODERADO/5
MODERADO/5
MODERADO/3
LIGERO/2
LIGERO/2
LIGERO/1
10
10
5
25
2
2
4
GRAVE/5
GRAVE/2
GRAVE/3
MODERADO/2
MODERADO/1
MODERADO/2
LIGERO/1
LIGERO/0
LIGERO/1
5
2
3
10
5
1
1
7
BUENO/0
BUENO/0
BUENO/0
REGULAR/3
REGULAR/3
REGULAR/6
MALO/6
MALO/6
MALO/13
6
6
13
25
3
3
6
12
BUENO/0
BUENO/0
REGULAR/3
REGULAR/3
MALO/5
MALO/5
5
5
10
100
3
3
56
IDENTIFICACIÓN DE DAÑOS
Fisuración
Desprendimientos de enlucidos
Desplomes
GRAVE/12
GRAVE/12
GRAVE/6
MODERADO/6
MODERADO/6
MODERADO/3
DAÑOS POR HUMEDAD
Por capilaridad
Humedad
Por malas instalaciones
GRAVE/10
GRAVE/10
GRAVE/5
DAÑOS POR FALTA DE MANTENIMIENTO
Desprendimiento de enlucidos
Falta de reparaciones
Intervenciones inadecuadas
4.- ESTADO DE PROTECCIÓN SÍSMICA
4.1SISTEMAS ESTABILIZANTES PRIMARIOS
Estructura de cubierta
Estructura de entrepiso
Estructura muraria
4.2-
ARCO
BOVEDA
MIXTO
FORJADO
MADERA
BAHAREQUE
PIEDRA
MIXTO
ADOBE
LADRILLO
1.- IDENTIFICACIÓN
SECTOR: Sur
OTROS : Muro de fachada
CRUJIA : Sur
NIVEL : Pisos 1 y 2
2.- MATERIALES
SISTEMAS ESTABILIZANTES SECUNDARIOS
Muros secundarios
Reforzamientos
TOTAL
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Morán Proaño M. P. - Álvarez Rodríguez O.
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Revista de la Construcción
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08-11-12 18:18
Simplified calculations of
slenderness limit in U.L.S.
Of instability: interaction
diagrams according to the
instruction EHE-08
Simplificación en los
cálculos de esbeltez límite
en E.L.U. De inestabilidad:
diagramas de interacción
según la instrucción EHE-08
Autores
54 ]
RevConsPUC-N22.indb 54
SERRANO-LÓPEZ, R.
Universidad de Burgos,
[email protected]
Burgos, España
GÓMEZ-SÁEZ, J.
Universidad de Burgos,
[email protected]
Burgos, España
ORTEGA-LÓPEZ, V.
Universidad de Burgos,
[email protected]
Burgos, España
MANSO-VILLALAÍN, J.
Universidad de Burgos,
[email protected]
Burgos, España
Fecha de recepción
21/05/2012
Fecha de aceptación
24/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
08-11-12 18:18
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 (incluyendo 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
RevConsPUC-N22.indb 55
[
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
]
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[ 55
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1. Introducción
Entre los diversos cambios establecidos en el articulado de la Instrucción de Hormigón Estructural
(EHE-08), se introducen diferentes novedades en
cuanto a las propias características del hormigón (resistencias, diagrama tensión-deformación, coeficiente
de cansancio…), la propuesta de nuevos materiales
y tecnologías (fibras, áridos ligeros, hormigones autocompactantes), 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 establecer 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 Alsaadi, 1987), utilizan uno o varios parámetros para
establecer el método (simplificado o más complejo)
con el que debe de abordarse un determinado problema de posible inestabilidad. En particular, la EHE-08
exige analizar previamente si la esbeltez mecánica (λ m)
asociada al elemento a comprobar queda por encima
o por debajo de una determinada esbeltez límite (λ lím),
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 conseguirlo; 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.
56 ]
RevConsPUC-N22.indb 56
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
[
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 aplicación 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 superior 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-811097), 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, excentricidad relativa, relación entre momentos extremos…
Las diferentes formulaciones normativas relacionan estos
parámetros con el criterio, internacionalmente consensuado (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 consideraciones a efectos de simplificación para su estudio
parametrizado:
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
]
páginas: 54 - 60
08-11-12 18:18
(Ec. 1)
(Ec. 2)
Para el caso más sencillo de cálculo, el traslacional
(donde e 1/e 2=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:
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, e 2/h → ∞), el
valor de D tiende a la unidad de manera asintótica.
Luego D es una función que depende de e 2/h, acotada
en el intervalo [1;5,8].
(Ec. 3)
3.3. Valores posibles de ν
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.
Atendiendo a la propia definición del axil reducido, y
para una determinada sección de hormigón armado,
puede señalarse que:
(Ec. 5)
3.2. Valores posibles de e2/h
En el Artículo 42.2.1 de la EHE se incide en la necesidad de adoptar una excentricidad mínima, que habrá
de cumplir el valor de e 2:
Según estos valores, pueden establecerse los posibles
valores de A = 0,24/ν:
(Ec. 4)
páginas: 54 - 60
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(Ec. 6)
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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 cualquier 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 variando 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 límite superior de
esbeltez (apartado 43.2.1.2 EHE-08), de valor constante λ lím = 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):
cuantificar de forma directa el límite de esbeltez adoptado en la EHE-08, para los tres casos de disposición
de armado indicados anteriormente. Se disponen en
este trabajo tres diagramas de interacción correspondientes 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 λ lím 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:
– 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
(Ec. 7)
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 parámetros 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
58 ]
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[
Donde ω es la cuantía mecánica total de armado del
soporte; e 1 y e 2 son las excentricidades de primer orden; 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 consideradas. Puede consultarse el siguiente enlace para
realizar este tipo de verificación: http://www.ubu.es/
es/depingciv/areas/area-mecanica-medios-continuosteoria-estructuras/investigacion/esbeltez.
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
]
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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 aprovecharse 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 Md 2=30 kN·m y Md 1=20 kN·m, que
se traducen en una excentricidad máxima de primer
orden e 2=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 f ck= 25 MPa.
Para estos datos de partida, y utilizando un coeficiente 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 relativa vale e 2 /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 λ lím≅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 primera estimación, los esfuerzos de cálculo son Nd=300
kN, Md 2=30 kN·m y Md 1=20 kN·m, queremos conocer
las dimensiones mínimas que debemos dotar a la sección 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 descritos, obtenemos que: λ=49,9, ν=0,29, y e 2/h=0,4.
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Entonces, según se expone en la fig. 9, puede aproximarse una esbeltez límite de 37. Como λ > λ lím, sería
necesario comprobar según el método aproximado
de la instrucción. Esta comprobación puede evitarse
aumentando las dimensiones de la sección, por ejemplo, en 5 cm por lado; en este caso: λ=41,6 (igual que
en el apartado 4.1), ν=0,2, y e 2 /h=0,33. Utilizando
el diagrama adimensional puede comprobarse que,
fig. 9, un valor lo suficientemente preciso del límite
es λ lím≅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 EHE08 (λ lím). 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
λ lím, se comprueba un salto conceptual entre la EHE98 (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 λ lím 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 límites 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
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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).
e 1/e 2 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-continuosteoria-estructuras/investigacion/esbeltez.
En definitiva, se proponen tres de diagramas de interacción adimensionales, Axil reducido-Excentricidad
relativa, para cualquier tipo de elemento traslacional
(uno para cada posible disposición de armaduras habituales). 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 diagramas para el caso intraslacional, variando la razón
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
Cortés Moreno, E., Bonet Senach, J. L., Romero García,
M. L., y Miguel Sosa, P. F. (2011). Slenderness limit of
the weak axis in the design of rectangular reinforced
concrete non-sway columns. Engineering Structures, 33,
p. 1157–1165. doi: 10.1016/j.engstruct.2010.12.034
ACI - American Concrete Institute (2011). Building code
requirements for reinforced concrete. ACI 318-11.
Farmington Hills (Michigan, EEUU): ACI Committee
318.
Bonet Senach, J. L., Goberna Pérez, E., Fernández Prada, M.
A., y Miguel Sosa, P. F. (2001). Esbeltez límite inferior
en soportes de hormigón armado. Hormigón y Acero,
219, p. 79-89.
CPH - Comisión Permanente del Hormigón (2009).
Instrucción de Hormigón Estructural. EHE-08. 3ª
edición. Madrid: Ministerio de Fomento. Centro de
Publicaciones.
CEB - Comité Euro-International du Béton (1993). CEB-FIP
Model Code 1990 – Design Code. 2ª edición. Londres
(Reino Unido): Thomas Telford Services Ltd.
Gutiérrez Jiménez, J. P., Recuero Forniés, R., Río Suárez O
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de soportes y pórticos de hormigón armado. Hormigón
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CEN - European Committee for Standardization (2010).
Eurocódigo 2: Proyecto de estructuras de hormigón.
Parte 1-1: Reglas generales y Reglas para edificación.
EN 1992-1-1:2010. Madrid: AENOR.
Marí Bernat, A. R., Hellesland, J. (2005). Lower Slenderness
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doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:1(85)
Corres Peiretti ,H., Alsaadi Altayeb, B. y León González F.
J. (1986). Límites de esbeltez de soportes esbeltos de
hormigón armado. Hormigón y Acero, 161, p. 35-52.
Maristany Carreras, J. (1997). Pandeo de estructuras de
hormigón armado. 2ª edición. Barcelona: Edicions UPC.
Corres Peiretti, H. y Alsaadi Altayeb, B. (1987). Estado límite
último de soportes de hormigón armado. Propuesta
general de comprobación. Hormigón y Acero, 163, p.
9-21.
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RevConsPUC-N22.indb 60
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Morán-Cabré, F. (1992). Estados límites últimos (flexión/
compresión y pandeo). Hormigón y Acero. 182, p. 47-52.
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esbeltez para soportes de hormigón armado: 1.- Límite
de esbeltez inferior. Hormigón y Acero, 160, p. 31-38.
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
]
páginas: 54 - 60
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Tabla 1: Límite inferior de esbeltez según normativa internacional
NORMA
EHE-08 (CPH, 2009)
VARIABLES
e 1/e 2
e 2/h
C
ν
CRITERIO
M 1/M 2
ε N ≤ 0,05
EXPRESIÓN λ lím
ε M ≤ 0,1
INTRASLACIONAL
ACI-318-11
(ACI, 2011)
TRASLACIONAL
ϕ ef
ω
M 1/M 2
ν
EC-2 (CEN, 2010)
ε M ≤ 0,1
INTRASLACIONAL
MC CEB-FIB 90
(CEB, 1993)
e 1/e 2
ν
ε M ≤ 0,1
TRASLACIONAL
Donde:
ε M = Error por pérdida de capacidad resistente para axil constante
ε N = Error por pérdida de capacidad resistente para excentricidad constante
e 1/e 2 = Relación de excentricidades de primer orden (|e 1| < |e 2|)
e 2/h = Excentricidad relativa al canto (h) de la pieza
C = Coeficiente según la disposición de armaduras (C= 0,24; 0,20 ; ó 0,16)
ν = Axil reducido
M 1/M 2 = Razón de momentos de primer orden
ϕ ef = Coeficiente de fluencia
ω = Cuantía mecánica de armado (A s·f yd/A c·f cd)
Tabla 2: Valores límite de los parámetros analizados en estructuras traslacionales
DISPOSICIÓN DE ARMADO
C
A
D
0,24
[0,12;∞)
[1;5,8]
0,20
[0,10;∞)
[1;19,4]
0,16
[0,08;∞)
[1;19,4]
As/2
Armadura simétrica a dos caras en el plano de flexión
As/2
As/4
As/4
As/4
As/4
Armadura a cuatro caras
As/2
Armadura simétrica a dos caras en los laterales
As/2
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Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
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Tabla 3: Valores de las constantes A y B
DISPOSICIÓN DE ARMADO
A
B
0,40
0,4ω + 0,12
ω + 0,56
0,27
0,27ω + 0,12
0,93ω + 0,56
0,14
0,14ω + 0,12
0,85 ω + 0,56
As/2
Armadura simétrica a dos caras en el plano de flexión
As/2
As/4
As/4
As/4
As/4
Armadura a cuatro caras
As/2
Armadura simétrica a dos caras en los laterales
As/2
Fig. 1: Nociones básicas en problemas de inestabilidad, según EHE-08
CONCEPTOS BÁSICOS EN PANDEO (EHE-08)
Longitud de Pandeo (I 0): Tiene en cuenta la influencia de las condiciones de sustentación en los extremos de una barra, comparándola 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.
l0 = α . l
α=1
α=2
α = 0.7
α = 0.5
Esbeltez Geométrica (λ g): Relaciona la longitud de pandeo con la dimensión de la sección en la dirección de cálculo.
Esbeltez Mecánica (λ m o λ): Establece la relación entre la longitud de pandeo con el radio de giro (i =
dirección considerada.
Axil Reducido (ν =
√ I/A) de la sección en la
Nd
): Proporciona un dato adimensional sobre la intensidad de este esfuerzo en una sección.
A c • f cd
M1
Razón de Excentricidades de 1 er orden (e 1/e 2): Se define como el cociente entre la excentricidad
de mayor de los momentos extremos (M 2) y el opuesto (M 1), de forma que M 2 > M 1 (y por tanto
e 2 > e 1 ). Debe tenerse en cuenta, además, el signo de estas: adopta valor positivo en curvatura
simple, y negativo para doble curvatura.
e1
>0
e2
M1
e1
<0
e2
M2
M2
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).
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Fig. 2: Síntesis del procedimiento en E.L.U. de Inestabilidad, según EHE-08
E.L.U. INESTABILIDAD (EHE -08)
Datos
l, α, N d, A c, f cd, e 1, e 2
P
x
δ
Traslacional
Intraslacional
Cálculo de λ
α.l
l
λ= 0 =
i
√ I/A
λ < 100
y
100 < λ < 200
λ > 200
Método general
Fuera de norma
Cálculo de λ lím
λlím = 35
C
ν
1+
λ < λ lím
Cálculo en 1er orden
0,24
e2
h
+ 3,4
2
e1
-1
e2
100
λ > λ lím
Método aproximado
Nd
λ = Esbeltez mecánica
ν=
A c • f cd
ν = Axil reducido
C = Coeficiente de disposición de armado = 0,24; 0,20 ó 0,16
e1, e2 = Excentricidades en los extremos
h = Canto en la dirección de análisis
Fig. 3: Criterios generales de evaluación de pérdida de capacidad portante
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Fig. 4: Valores límite de los parámetros
(C=0,24)
Serrano, R. - Gómez, A. J. - Ortega, V. - Manso, J. M.
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Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Fig. 5: Diagrama de interacción, caso traslacional,
C=0,24
Fig. 6: Diagrama de interacción, caso traslacional,
C=0,20
Fig. 7: Diagrama de interacción, caso traslacional,
C=0,16
Fig. 8: Estimación de λlím
Fig. 9: Tanteos de secciones para cumplir con λlím (con C=0,20)
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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]
Valparaíso, 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 Chile
Santiago, Chile
Fecha de recepción
15/06/2012
Fecha de aceptación
12/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Resumen
La corrosión metálica es un problema
que se intensifica con la exposición a
determinadas atmósferas, disminuyendo
la vida útil del metal o aleación, creando deficiencias operativas en las plantas industriales, provocando elevados
costos de reparación, detenciones y/o
reemplazos. En Chile existen marcadas
diferencias geográficas, demográficas e
industriales, lo que hace necesario elaborar 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 elaboración 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 instalaron 124 bastidores con muestras
de acero al carbono, cobre, acero galvanizado 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 vientos y radiación solar y como contaminantes 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 comportamiento 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
inefficiencies in industrial plants,
resulting in high repair costs, arrests
and / or replacements. In Chile there
are marked geographic, demographic
and industr y, making it necessar y
to produce maps of environmental
aggressiveness and corrosiveness,
whose information will enable the
proper selection of materials to be
used in different environments.
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.
In this paper presents results obtained
after one year of developing a national
map of corrosion and environmental
aggressiveness, in terms of corrosion
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.
62 ]
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Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Vera, R. et al.
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1. Introducción
La corrosión atmosférica es un proceso por el cual
los metales y aleaciones reaccionan con especies presentes 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, Santana y González, 2003).
La acción de la atmósfera sobre los metales o aleaciones constituye uno de los mayores problemas planteados 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 (SO 2),
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 contexto 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 diferentes 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 Ambiente, 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 proyecto 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-
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[
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 también 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 respectivas 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 instalaron 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 confeccionar 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 analizador 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.
Vera, R. et al.
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3. Resultados y discusión
Las variables meteorológicas medidas fueron: temperatura, humedad relativa, cantidad total de lluvia
caída y velocidad del viento. Los resultados promedios 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 variación 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 contenido ambiental de cloruro y de dióxido de azufre para
cada estación. Se tienen lugares donde el contaminante 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 SO 2 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 quimiometría y empleando la norma ISO 9223 se presentan 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 contenido 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 contenido 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 SO 2 (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
64 ]
RevConsPUC-N22.indb 64
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Volumen 12 No 22 - 2012
[
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 diferentes 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 resultados son concordantes con la clasificación de agresividad comentada en párrafos anteriores y también
con trabajos realizados previamente por los autores
(Vera, Rosales, Moriena, 1997; Vera, Delgado, Rosales, 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 lugares, 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, considerando 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 Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeS y presencia de SiO 2 proveniente 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 cantidad 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 aspecto 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
Vera, R. et al.
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08-11-12 18:18
cantidad de producto de corrosión, de un tamaño mayor 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 función 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 propicia una mayor deposición de sales sobre el material.
Los análisis por DRX identificaron la presencia de
(Zn 5 Cl 2 (OH) 8 H 2 O) simonkoleita, ZnO (cincita) y SiO 2
(polvo) en los productos de corrosión formados sobre
acero galvanizado en las estaciones de mayor agresividad 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 irregulares 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
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RevConsPUC-N22.indb 65
[
ión cloruro por encontrarse ubicadas cercanas al borde
costero. La estación de Casablanca se encuentra localizada 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 similar a los obtenidos para cobre en algunas estaciones
ubicadas en zonas marinas. Esta estación se encuentra 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 morado. 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 identificado principalmente como Cu 2Cl(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 Cu 2O (cuprita). Se suma en
todas las estaciones la presencia de SiO 2 proveniente
de suelo. En general los análisis EDAX muestran la presencia 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 obtenidos 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 encuentra 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 contenido de SO 2 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 Al 2O 3 (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
Vera, R. et al.
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humidificación, precipitación y formación de nieblas,
que en el caso de atmósferas contaminadas generan
lluvias o nieblas ácidas. Por otra parte, el viento cumple 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 corrosión 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 ambiental 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 ).
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, compacticidad 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 ambiental es concordante con la obtenida para corrosividad
a partir de los datos de velocidad de corrosión al año
de exposición.
4. Conclusiones
5. Agradecimientos
La velocidad de corrosión de un material expuesto a
la atmósfera depende de las características del medio
ambiente: Temperatura, humedad relativa, tiempo de
Los autores agradecen a INNOVA CORFO, a la Dirección de Investigación de la Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso y al Instituto Antártico Chileno
(INACH).
Referencias
Part I. Patinas formed by immersion Corros. Sci., 41,
625-651 (1999).
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 artificial patinas on copper.
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RevConsPUC-N22.indb 66
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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), 269276 (2012).
Vera, R. et al.
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Figura 1. Localización de las estaciones de ensayo de corrosión en Chile
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Vera, R. et al.
]
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Figura 2. Estación de ensayo de corrosión
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)
160
Dióxido de azufre
140
Cloruro
120
100
80
60
40
20
68 ]
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Vera, R. et al.
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Curauma
Punta Arenas
Isla de Pascua
Coyhaique
Puerto
Ensenada
Puerto Montt
Valdivia
Puerto Varas
Laja
Temuco
Coronel
Rancagua
Santiago PUC
Santiago Bosch
Río Blanco
Casablanca
Quintero
Los Andes
Valparaíso
Vicuña
Huasco
Coquimbo
Copiapó
San Pedro de Atacama
Quilpué
Antofagasta
Pampa del Tamarugal
Putre
Arica
0
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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.
350
160
3 meses
300
140
250
6 meses
120
200
9 meses
100
150
12 meses
100
80
50
60
0
40
20
Curauma
Isla de Pascua
Coihaique
Punta Arenas
Puerto Chacabuco
Ensenada
Puerto Montt
Valdivia
Puero Varas
Laja
Temuco
Coronel
Rancagua
Santiago (San Joaquín)
Río Blanco
Santiago (Quilicura)
Casablanca
Quintero
Los Andes
Valparaíso
Vicuña
Antártica
Huasco
Coquimbo
Copiapó
Antofagasta
San Pedro de Atacama
Quilpué
Pampa del Tamarugal
Arica
0
Putre
Velocidad de corrosión (μm/año)
Quintero
400
Figura 6. Aspecto superficial del producto de corrosión de acero al año de exposición en las estaciones de: A) Isla de
Pascua, B) Putre y C) Huasco.
A
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B
[
Vera, R. et al.
C
]
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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
Velocidad de corrosión (μm/año)
5
14
3 meses
4,5
12
6 meses
4
10
9 meses
3,5
8
3
6
2,5
4
2
2
1,5
0
12 meses
Arica
Quintero
1
0,5
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Volumen 12 No 22 - 2012
[
Vera, R. et al.
]
Curauma
Isla de Pascua
Coihaique
Punta Arenas
Puerto Montt
Puerto Chacabuco
Valdivia
Ensenada
Puero Varas
Laja
Temuco
Coronel
Rancagua
Santiago (Quilicura)
Santiago (San Joaquín)
Río Blanco
Casablanca
Quintero
Los Andes
Valparaíso
Vicuña
Antártica
Huasco
Coquimbo
Copiapó
San Pedro de Atacama
Quilpué
Antofagasta
Pampa del Tamarugal
Arica
70 ]
Putre
0
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Arica
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Vera, R. et al.
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Curauma
Isla de Pascua
Punta Arenas
Coihaique
Puerto Chacabuco
Puerto Montt
Ensenada
Valdivia
Puero Varas
Temuco
Laja
0
Coronel
1,5
Rancagua
2
Santiago (Quilicura)
2,5
Santiago (San Joaquín)
3
Río Blanco
3,5
Casablanca
Los Andes
Quintero
Valparaíso
Antártica
Vicuña
Coquimbo
Huasco
Copiapó
San Pedro de Atacama
Curauma
Isla de Pascua
Punta Arenas
Coihaique
Puerto Chacabuco
Puerto Montt
Ensenada
Valdivia
Puero Varas
Temuco
Laja
Coronel
Rancagua
Joaquín)
Santiago (San
Santiago (Quilicura)
Río Blanco
Casablanca
Los Andes
Quintero
Valparaíso
Antártica
Vicuña
Coquimbo
Huasco
Copiapó
San Pedro de Atacama
4,00
Antofagasta
Quilpué
Pampa del Tamarugal
5,00
Antofagasta
Arica
Putre
Velocidad de corrosión (μm/año)
6,00
Quilpué
Pampa del Tamarugal
Putre
Velocidad de corrosión (μm/año)
Figura 9. Velocidad de corrosión promedio de cobre en el período de estudio
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
3 meses
4,00
2,00
6 meses
0,00
Arica
9 meses
12 meses
3,00
2,00
1,00
0,00
Figura 10. Velocidad de corrosión promedio de aluminio en el período de estudio
18
16
14
3 meses
12
6 meses
10
8
9 meses
6
12 meses
4
2
1
Quintero
0,5
0
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Figura 11. Mapa de corrosión de acero al carbono al
año de exposición del material
Putre
Antofagasta
Pampa del Tamarugal
San Pedro de Atacama
C1
Antofagasta
C2
C3
Copiapó
C4
C5
Huasco
Coquimbo
Isla de Pascua
Vicuña
Rancagua
Coronel
Laja
Temuco
Valdivia
Puerto Chacabuco
Coyhaique
Punta Arenas
´
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Vera, R. et al.
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PHDC: hybrid and passive
evaporative cooling system
for buildings – predesign
software
PHDC: sistemas de
enfriamiento evaporativo
pasivos e híbridos para
edificios – software de
prediseño
Autores
SÁNCHEZ, J..
Universidad de Sevilla
[email protected]
Sevilla, España
SALMERÓN, J.
Universidad de Sevilla
Sevilla, España
MOLINA, J.
Universidad de Sevilla
Sevilla, España
SÁNCHEZ, F.
Universidad de Sevilla
Sevilla, España
ÁLVAREZ, S.
Universidad de Sevilla
Sevilla, España
Fecha de recepción
08/06/2012
Fecha de aceptación
12/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Resumen
PHDC, es un proyecto internacional,
creado con el objetivo de promover el
uso de sistemas de refrigeración Pasivos 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 proyecto, las cuales se presentan en este
artículo. Las herramientas comentadas
son dos:
– PHDC AirFlow, en la que se implementa 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 refrigeración convencional y ahorro producido 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
building. 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
simulates thermal behavior 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.
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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 sistemas 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 temperatura y más húmedo); crea un aumento de su densidad. 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/m 2). En edificios residenciales puede reducir la carga por debajo de 15 kWh/
m 2 (Estándar de Passive House). Amplia información
sobre este tipo de sistemas aparece en el proyecto
PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling)
(Passiv Haus Institut, 2012)
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 número 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)
Activo. Condiciones climáticas calientes pero húmedas, requieren el uso de sistemas activos, en los que el
enfriamiento es indirecto por medio de un intercambiador 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 mecánica, se consiguen ahorros del consumo eléctrico
del 25-35 % (edificios terciarios).
Híbrido. Es la combinación de las dos técnicas comentadas. El sistema se adaptaría a diferentes condiciones
climáticas (secas y húmedas); lo cual aumenta la aplicabilidad, 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.
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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 financiada por la CE, y en la actualidad se comienzan a aplicar
proyectos con esta técnica.
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
Micronizadores: Pequeñas partículas de agua se micronizan en el interior de la corriente de aire. La efectividad 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 aplicación 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 Ahmedabad (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 plumas de agua con diámetros inferiores a las 10 micras.
Figura 2: Avenida de Europa. EXPO 92. Sevilla
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3. Descripción general de las herramientas
Donde los índices x e y se permutan secuencialmente
en cada uno de los nodos conforme se avanza en el
bucle definido previamente.
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 extensamente en análisis de flujo en conductos y proporciona una solución analítica útil para dimensionar los
componentes y sistemas de ventilación natural e híbrida ((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 temperaturas, 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.
La ecuación anterior se puede escribir también de la
siguiente forma:
Ecuación 2
Donde:
Δp lloss son las pérdidas de presión en el bucle “l” debidas a la fricción en la entrada, la salida y al movimiento
del aire en el interior del edificio.
Δp lwind es el incremento de presión producido por el
viento en el bucle ”l”.
Δp lstack es el incremento de presiones debida a la torre
de salida –tiro térmico y/o mecánico– en el bucle “l”.
Δp lwind 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 están las presiones que fomentan el movimiento del aire.
Figura 4: Sección vertical 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 secuencialmente como p a, p b, p c, p d,…, p t,, y de nuevo p a. Con
esta notación la ecuación fundamental del bucle de
presiones es:
Ecuación 1
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[
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 acoplamiento se debe a que el flujo de aire en las torres es,
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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 convergencia 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 configuración del edificio y del sistema PHDC.
– Caso 2: Obtención de una correlación que permite 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.
Considerando la descripción de un edificio, definida
por el usuario, y los datos meteorológicos en el formato 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 convencional 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
a) Herramienta PHDC Energy & Comfort
Existen tres métodos para realizar esta operación:
Las principales características del edificio tenidas en
cuenta son:
– 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 distribución 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 meteorológicas (simulación del periodo fijado por el
usuario).
– 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 transparentes y semitransparentes se calcula a partir del
factor solar y de la tramitancia térmica proporcionada 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 resultados del programa PHDC Airflow, en el que se simulan 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 internas, externas, la ventilación (activa/pasiva) y sistema
convencional de climatización (calefacción/refrigeración), 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.
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– Acoplamiento iterativo o ping-pong: Cálculo simultáneo 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 pueden 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 secuencial: 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.
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Se puede obtener a partir de la relación con la ecuación de los gases perfectos:
Figura 5: Estrategia de acoplamiento secuencial
Feedback
Ecuación 3
Air Flow model
Con P nivel–mar como la presión en el nivel del mar,
R = 8.314* 10 3 (N m) / (Kmol K)
g = 9.8 m /seg 2 m = masa molar del aire atmosférico
= 28.96 Kg / Kmol
Thermal model
4. Fundamentos de la herramienta
Efecto del viento
Ecuación 4
Propiedades
Datos climáticos
Se pedirán tanto condiciones exteriores de temperatura y humedad relativa, como interiores. Servirán
para evaluar las necesidades y propiedades de los diferentes caudales. Además se usarán en la correlación
posteriormente.
Cp e = 0.3
Altura sobre el nivel del mar
ν Velocidad del viento (velocidad aire)
Con la altura, las condiciones de presión temperatura
y densidad van variando. A medida que se asciende
la presión atmosférica va disminuyendo, lo que afecta 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 alcanza a compensar el efecto de la presión, que es más
marcado. En concreto, el resultado es que la densidad
disminuye con la altura.
Densidad del aire exterior (todas las densidades
se obtienen de la lectura del psicrométrico)
Figura 6: Curva de la presión absoluta ambiental (mm
Hg) frente a la altura sobre el nivel del mar
Cp s = –0.2 (valores defecto)
Ecuación 5
Existen dos usos de la potencia del viento: uno debido 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 coeficiente de presiones, fruto de su comportamiento aerodinámico, 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
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anterior es la energía cinética disponible en el viento
antes de su llegada al captador.
Torre de salida
Cuantificaremos las pérdidas debidas a la descarga a
través de la torre:
Figura 7: Líneas de corriente, simulación CFD realizada
a los captadores de viento
Ecuación 7
Donde Q es el caudal de aire; C d es el coeficiente de
descarga con valor por defecto 3.459, la corrección
por una salida no ideal que dependerá de la geometría y del número de Reynolds; y A extracción-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
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
Siendo f el coeficiente de fricción, con valor por defecto 0.02, h extr es la altura de extracción denominada
como Z en el programa y b extrac 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 interior, con los respectivos valores de la extracción
implementamos un programa del psicrométrico,
del cual leemos propiedades.
El programa admite la posibilidad de integración, por
parte del usuario, de nuevos modelos, simplemente
caracterizando su coeficiente de presiones e introduciendo este dato eligiendo el captador genérico en el
menú de windcatchers.
La temperatura de extracción Textrac, que se ha correlado 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 captador estudiado por MCA en el proyecto PDEC,
EU DGXII JOR3CT950078, queda caracterizado asignándole un valor del Cp de 1.00.
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El tiro térmico lo definimos simplemente por la diferencia de densidades:
Ecuación 13
Ecuación 10
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:
Contribución mecánica a la extracción
Ecuación 14
El programa permite añadir dos tipos de contribuciones mecánicas, un extractor o un windturbine, el
usuario proporcionará la capacidad de los mismos en
Pascales (Pa).
Ecuación 11
Esta ecuación se usa para cualquier sistema empleado,
con la salvedad de que en el caso de wetpad, la altura 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.
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:
Micronizadores
Ecuación 12
Ecuación 15
Figura 9: Evolución de la presión de extracción en un
windturbine al variar la velocidad del viento
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 caudal 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 recomienda 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
Torre de entrada
Similar a lo anterior, los cambios aparecerán a la hora
de cuantificar el tiro invertido:
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Donde: λ=2500 kJ /kg C p= 1 kJ /kg·K
Q= aire en la torre [Kg/s] Magua= agua introducida [kg/s]
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Una vez obtenida esa estimación de la cantidad de
agua, activaremos la torre de impulsión con esa cauda 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 aceptable, para una evaporación total.
Se debe tener en cuenta por parte del usuario que
introducir una cierta cantidad de agua mediante micronización 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
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: b w-p es la profundidad del wetpad, dada por
el usuario.
El enfriamiento será definido a partir de una eficiencia.
Ecuación 20
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.
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
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Ecuación 21
El programa permítela usuario definir las propiedades
avanzadas de los wet pads que serían:
Water sprinkler
82 ]
Y esta eficiencia nos permite calcular la temperatura
de impulsión.
[
– n, usado como exponente en la ecuación de la
eficiencia.
– k, usado en la ecuación de pérdidas de carga
– a, usado en
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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.
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
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.
Y las curvas resultantes del modelo:
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.
Figura 12: Ajuste de funcionamiento del WetPad
CELdek
A continuación se muestran las curvas características
suministradas por el fabricante del sistema CELdek:
Figura 11: Gráficas 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:
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Figura 13: Gráficas de funcionamiento del WetPad
GLASdek
Figura 14: Ajuste de funcionamiento del WetPad
GLASdek
Tratamiento de orificios
La pérdida de carga debida al paso del aire a través
de un orificio se cuantificará de la siguiente manera:
Ecuación 22
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:
Donde el coeficiente de flujo c[m 3/(sPa n)] y el exponente adimensional del flujo n se determina experimentalmente. 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.
k=40, alpha=12, n=0.17
Y las curvas resultantes del modelo:
84 ]
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En el programa se ofrecerá la posibilidad de definir la
entrada de aire en la planta, desde la zona de impulsión; 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.
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 herramientas de PHDC, como muestra la figura inferior:
Rejillas
El flujo de aire por el interior de rejillas se ha caracterizado mediante la expresión:
Donde el coeficiente c [m 3/(s Pa n)] y el exponente n
[adimensional] se obtienen mediante experimentos y
no tienen significado físico. El usuario los podrá obtener 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.
– 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
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.: Q 1=0.07 m3/s Δp 1=5
PaQ 2=0.10 m3/s Δp 2=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
[m 3/(s Pa n)]
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 (ÁlvarezDomínguez, Molina-Félix, Salmerón-Lissén, Sánchez
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[
Diseño: Sistema y componentes. Cálculos
Como con cualquier sistema de refrigeración, ‘el tamaño’ 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 metabólica, pero típicamente sobre 80W (calor sensible)
para un adulto sedentario. La carga de iluminación
artificial con esperanza puede ser reducida al aprovechando 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 75m 2 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
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Las ganancias internas dependen del clima, y se deben
fundamentalmente a la radiación e infiltración. Además
dependen del valor del coeficiente global de transferencia 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 superficial, la temperatura de la superficie podría alcanzar
50-60 ºC. Si el valor del coeficiente global de transferencia fuera 0.2W/m 2oC, entonces (asumiendo una
temperatura interior de 25 ºC) las ganancias a través
de la azotea debido a la radiación serían de 6W/m 2. En
el apartamento del último piso en Madrid, suponiendo
que el área de la azotea es la misma que la del piso (75
m 2) supondría un valor de 450W. Si el área externa del
apartamento es 105 m 2 (idéntico valor del coeficiente
de transferencia 0.2W/m 2 ºC para elementos opacas)
y 15m 2 de ese área es de ventana de cristal doble
(U=1.4W/m 2 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 (denominando 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 temperatura 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 renovaciones 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:
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Ecuación 23
Para el apartamento en Madrid, la carga de refrigeración es de 2050 W, y por tanto, el caudal de aire
equivale a 9.1 ren/h o 0.57 m 3/s (2050 m 3/h).
Herramienta Airflow
Definición de datos
Abriendo la ventana de propiedades, se pueden modificar 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 Airflow, 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 parámetros 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
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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 propiedades 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 energía durante el período simulado (1r 15 o durante junio)
es de 607 kWh la utilización de un sistema convencional 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 durante 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 frigorífica requerida (en rojo para un sistema convencional y en azul con un sistema PHDC
como apoyo del convencional)
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5. Discusión
Figura 19. Plano de situación
Caso a estudio: edificio 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 Torrente 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 construidos 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 demostrar la aplicabilidad y utilidad de la refrigeración
evaporativa a grandes edificios no domésticos (Thomas, L. and Baird, G, 2006).
Con una superficie de 17,000 m 2 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 dependencia a los sistemas convencionales sin comprometer
la comodidad del inquilino, decidió que aproximadamente el 70% de los laboratorios más todas las zonas
adyacentes fuera refrigerado con sistema PDEC.
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.
También se debía maximizar el empleo de la iluminación natural, evitando los riegos de calentamiento solar. 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 bajos 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.
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Figura 20. Plan de funcionamiento del PDEC
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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)
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 oficinas y
laboratorios
Estrategia de verano: durante el día, a partir de finales 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
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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 funcionamiento. Este suceso se denomina, Confort adaptable,
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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 temperaturas 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 renovaciones 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 desvelan que, durante el verano (febrero - junio), los laboratorios 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 interior 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/m 2.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/m 2.
Lo que puede ser comparado a edificios de centros
comerciales indios (500kWh/m 2 .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.
fueron diseñados para una ocupación de 25 científicos
(aproximadamente 15m 2/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 herramientas 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 adecuadamente, como apoyo al sistema de frío convencional, 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, además 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 sistemas de refrigeración pasivos e híbridos downdraught
en edificios (European commission, 2011), que parcialmente 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.
Se observó (Thomas, L. and Baird, G, 2006) que cada
uno de los cinco edificios originales de laboratorios,
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Thomas, L. and Baird, G. (2006). Post occupancy evaluation
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Sánchez, J. et al.
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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 térmicos
Soluciones constructivas
típicas aprobadas por la Norma
Térmica para elementos
verticales en estructura de
madera y metálicos en la Zona 4
Simulaciones con Therm y Usai
y evaluación con Método de
Cámara Térmica
Autores
92 ]
RevConsPUC-N22.indb 92
MUÑOZ, C.
Universidad del Bío-Bío,
[email protected]
Concepción, Chile
BOBADILLA, A.
Universidad del Bío-Bío,
[email protected]
Concepción, Chile
Fecha de recepción
17/04/2011
Fecha de aceptación
19/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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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; condensaciones superficiales; aparición de moho
y deterioro de las estructuras son los
efectos más comunes de verificar en
terreno, sin embargo los indirectos tienen que ver con problemas de salud de
los usuarios y los costos derivados de
la mantención y de pérdida de energía. El puente térmico es un problema
de diseño que se agrava en el proceso
constructivo, por ello, analizar su comportamiento en la etapa de desarrollo
asegura una mejor prestación de la envolvente. La normativa chilena es débil
en su precisión respecto a la manera de
abordarlos. Este trabajo pretende definir una metodología de análisis de las
soluciones constructivas utilizando para
ello métodos teóricos (simulaciones) y
métodos experimentales (cámara térmica) 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
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Muñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A.
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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.
con la menor cantidad de elementos nuevos (solución
por diseño).
1.1.2. Objetivos Específicos
1.1.2.1. Comparar valores U y Temperaturas superficiales registradas de las soluciones iniciales y mejoradas para obtener una relación entre las zonas
de mayor y menor transmitancia térmica.
En las edificaciones, uno de los problemas comunes y
evitables son los puentes térmicos que afectan su eficiencia 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.
1.1.2.2. Definir una pauta de evaluación de una solución constructiva que considere el análisis del detalle constructivo para generar la rotura de puente
térmico usando un método teórico (Therm y Usai)
y un método experimental (probeta) validando así
la simulación.
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 consigo 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.
1.1.2.3. 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.
1.1. Objetivos de la Investigación
1.1.1. Objetivo General
Comparar soluciones constructivas de elementos verticales 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 optimizaciones (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
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1.2. Visión Global de la Metodología utilizada:
Fig. 001 - Cuadro Resumen Metodología General
Determinación de Programas
de Simulación a utilizar
ETAPA 0
Determinación de Casos de Estudio
ETAPA 1
CAD
Therm-Usai
Análisis Resultados
Ensayos de Probetas
Cámara Térmica
ETAPA 2
Comparación Resultados
Validación
Comparación Resultados
Validación
Análisis Resultados
Simulación de Detalle Mejorado
ETAPA 3
CAD
Therm-Usai
Análisis Resultados
Ensayos de Detalle Mejorado
Cámara Térmica
ETAPA 4
Análisis Resultados
Conclusiones
Manual
ETAPA 5
Soporte Web
Fig. 002 - Cuadro Resumen Metodología Estudio de Casos
ETAPA 0
ELECCIÓN
Revisión Casos
Graficados en
Manual MINVU
ETAPA 1
DIBUJO
Dibujo del Detalle
Simulación con Therm
Importación detalle
ETAPA 3
USAI
Exportar a DXF
CAD
ETAPA 2
THERM
Elección de Casos
Redibujo detalle
Redibujo detalle
Definición de materiales
Generación librería
Simulación con Usai
Generación imágenes
Definición de materiales
Generación librería
Cálculo U manual
Generación informe
Definición de materiales
Generación informe
ETAPA 4
Validación
U
Generación librería
ETAPA 5
Tº
Obtención datos Therm
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Comparación
Datos
Tº Superficiales
Generación gráfico
[
Conclusiones
Generación informe
Muñoz Viveros, C. - Bobadilla Moreno, A.
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2. Desarrollo
2.1. Marco Teórico:
En el contexto nacional, El Ministerio de Vivienda y
Urbanismo implementó para cumplir con la Reglamentación 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/opensite_20071214162133.aspx ).
Esta, asigna valores por defecto a partir del tipo de
puente térmico y de la información de los cerramientos 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 Térmica (2) propone visualmente una serie de soluciones
constructivas, pero vuelve a plantear los puentes térmicos 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 investigaciones, normativas y propuestas tratan de avanzar y
demostrar los cuidados que se deben tener en el proceso 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 térmicos 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 detalle 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.
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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 bidimensional 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 criterios 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 porcentajes 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 simulaciones con TRSYS, programa de análisis bidimensional, 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 simulaciones 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, considerándolo una herramienta útil y de rápida verificación
en el proceso de diseño (5).
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En Argentina se realizó un estudio que analizó a través 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 conductividad 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”.
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 herramientas 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 Normativas 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 trabajo, 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. “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, realizada 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 habitabilidad 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 térmicos 2D y 3D. Esta revisión permite tener una visión
comparativa de las capacidades y prestaciones de
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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 (información 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 constructivo 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 mayores posibilidades de masificarlos como herramientas
válidas para simular soluciones constructivas locales.
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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-
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 considerando 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.
Fig. 003 - Ejemplo caso elegido
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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:
Una vez redibujado se determina el sentido en el que
se encuentra (planta o corte) y las condiciones de borde, de manera de definir el sentido del flujo térmico.
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.
Fig. 005 - Redibujo en Therm
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
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
3. Exportación a simulador Therm
Los archivos en formato dxf se pueden “calcar” usando
el documento base como referencia (Fig. 005).
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Para las condiciones de borde, se utilizó el método simplificado sugerido por el programa utilizándose 20 ºC
para el interior y 0 ºC para el exterior. Para el coeficiente de film, se considera el inverso a la resistencia
superficial (Rse y Rsi).
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Fig. 007 - Asignación de Condiciones de Borde
3. Flujo de vectores: muestra con vectores, el flujo de
calor.
Fig. 010 - Vectores
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 gráfica. Los colores más cálidos (rojos, anaranjados y
amarillos) mostrarán las zonas calientes y los fríos
(azules y violetas), las zonas frías.
Fig. 009 - Infrarrojo
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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. 012 - Ventana Usai
Fig. 011 - Temperaturas en cursor
Para los materiales locales, estos se incorporaron uno
a uno, utilizando la base del programa de certificación 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
6. Desarrollo de detalles con Usai
Usai no requiere del dibujo cad base, pero sí la disposición 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.
Al construir el detalle, este va actualizando los datos
de su valor U y el valor de la Resistencia Térmica de
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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; comportamiento térmico e higrotérmico y un análisis mes a
mes del riesgo de condensación.
Fig. 015 - Gráfico de Temperaturas Superficiales
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
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.
De estas planillas se obtuvieron los valores por separado 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.
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Fig. 016a - 016b - Casos elegidos
2. Desarrollo de detalle con Usai
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3. Dibujo en CAD del detalle constructivo
mejorado
Fig. 017a - 017b - Casos mejorados
4. Exportación a simulador Therm
7. Cubicación
5. Simulación
Se cubicó la solución para construir las probetas a
ensayar en la cámara térmica.
Se obtuvieron las imágenes de isotermas, flujo de calor
y flujo de vectores.
ETAPA 3
1. Construcción de probetas originales
6.
Cálculo Manual
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-
Se realizó, a modo de verificación.
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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. 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
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 estabilización 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 contiene los valores asociados a cada termocupla para
los días y horas que dura el proceso de estabilización,
obteniéndose los siguientes datos:
1. Valor U.
Originalmente se consideraron condiciones de borde
supuestas de temperaturas (0 ºC exterior y 20 ºC
interior) las cuales difieren de las registradas en la cámara 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
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4. Validación (o no) de simulación
3.1.1. De las Simulaciones
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).
Se ejecutaron por tres métodos: Planilla de Cálculo;
Therm y Usai.
Todas ellas toman como referencia el dato de la solución aprobada por el MINVU (caso base) la cual daba
como parámetro el valor U de la solución constructiva.
Planilla de Cálculo:
ETAPA 4
Procedimiento es idéntico al de la Etapa 3 pero para
las probetas mejoradas, punto 1,2,3, y 4.
La primera evaluación fue realizar los cálculos por separado de los valores U de las zonas sin y con puente
térmico. Luego se hizo un cálculo ponderado, presentándose pequeñas diferencias con el valor definido en
la solución MINVU.
ETAPA 5
1. Conclusiones
Fig. 019 - Comparación valores U ponderado MINVU /
Planilla de Cálculo
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 temperaturas y resistencias térmicas notorias dada la evidente
presencia de puentes térmicos por discontinuidad de
materiales.
Diferencias que en el caso de la solución S053 con
estructura en base a perfiles metálicos varió de U original = 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 definir si se
cumplía la relación 1:2 máxima para evitar las patologías
de los puentes térmicos y comparar los valores entre simulaciones y los obtenidos en la cámara térmica. (Fig. 020).
Fig. 020 - Comparación valores U mayor y U menor y Relación (1:2)
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Usai:
Therm:
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).
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 temperatura 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 Superficiales Therm / Cámara Térmica
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3.1.2.- De las Probetas
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).
Fig. 024 - Comparación valores U ponderado MINVU /
Cámara Térmica
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 superficiales obtenidas con Therm comparadas con las de las
probetas fueron muy diferentes al igual que los deltas
de temperaturas para cada caso (Fig. 025).
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 el caso de los gráficos de temperaturas interiores 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).
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.
Fig. 025 - Comparación valores U y Temperaturas Superficiales Simulaciones / Cámara Térmica
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Fig. 026 - Comparación Gráficas de Temperaturas Superficiales Usai / Cámara Térmica
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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 procedimiento 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 pérdidas 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 cuantificables 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 temperaturas 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 mayor 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 entregará 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 comparaciones 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).
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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 diferencia, 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 definición 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 visualización 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 reglamentario, proponer mejoras a los detalles normalizados 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 permitiría una evaluación de costos al incorporar a cada uno
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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 de
Cálculo permite desarrollar una sistematización
en la evaluación de soluciones técnicas al cruzar
datos aportados por estos diferentes medios que entregan variables complementarias al valor U. Así, los
detalles son analizados bajo parámetros que permi-
5. Referencias
1.
2.
Ministerio de Vivienda y Urbanismo. CCTE: Manuales
de Referencias Técnicas: Fundamentos Técnicos. Fundamentos Técnicos CCTE_CL v2, pág. 7-12.
Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones,
Artículo 4.1.10
http://www.minvu.cl/opensite_20070314093355.aspx
ten diferentes comparaciones y relaciones (U; RT; Tº;
Comportamiento higrotérmico; Materiales utilizados;
Espesores finales; Densidades). Este paso ayuda a prever resultados que podría arrojar la Cámara Térmica.
En ese sentido, el prever no apunta a reemplazar este
proceso experimental, sino a complementarlo al obtener 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.
Acondicionamiento Térmico del Ministerio de Vivienda y Urbanismo Texto aprobado por resolución exenta
Nº 6227 (V. y U.).
10. Lawrence Berkeley National Laboratory (July 2006).Manual Therm.
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2009). Listado Oficial de Soluciones Constructivas para
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Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
[ 111
08-11-12 18:18
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.
MEJÍA DE GUTIÉRREZ R.
BARRERA J.
DELVASTO S.
112 ]
RevConsPUC-N22.indb 112
Universidad del Valle,
[email protected]
Cali, Colombia
Universidad del Valle,
[email protected]
Cali, Colombia
Universidad del Valle
[email protected]
Cali, Colombia
Universidad del Valle,
[email protected]
Cali, Colombia
Fecha de recepción
24/03/2012
Fecha de aceptación
24/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Resumen
En este artículo se presenta la evaluación de las propiedades mecánicas y
de durabilidad de morteros adicionados 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 cemento. Los materiales de partida fueron
caracterizados mediante las técnicas
de Fluorescencia de Rayos X, Granulometría 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 porosidad, succión capilar, permeabilidad a
cloruros y susceptibilidad a la carbona-
tación). Adicionalmente, se estudio el
comportamiento frente a la corrosión
del acero estructural embebido, expuestos a tres diferentes medios: agua potable, cloruro de sodio (NaCl al 3,5%)
y presencia de CO 2; este último se realizó en cámara ambiental a condiciones
aceleradas (1% CO 2 , 100% CO 2 , 65
H.R. % y 25 °C). Se comprueba que las
características de la adición (composición 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
additions. 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 ( a b s o r p t i o n a n d p o r o s i t y,
capillary suction, chloride permeability
and susceptibility to carbonation).
Additionally, the corrosion behavior of
embedded structural steel exposed to
three different media: water, sodium
chloride (NaCl 3,5%) and presence of
CO 2 , was studied. The susceptibility
to carbonation was realized in an
environmental chamber at accelerated
c o n d i t i o n s ( 1 % C O 2, 1 0 0 % C O 2,
65% RH and 25 °C). It is found that
the characteristics of the addition
(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.
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Valencia, G. et al
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1. Introducción
En el sector de la construcción civil, los materiales compuestos 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 acción 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 carbono. Al respecto, los diferentes países han desarrollado 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 2061, subdivide los ambientes en las siguientes clases:
Tipo 1, Ningún riesgo de corrosión o ataque; Tipo 2,
Corrosión inducida por carbonatación; Tipo 3, Corrosión 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 cementicios, 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 desempeño 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 CO 2.
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
114 ]
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[
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; Cordeiro 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 CO 2 a la
atmósfera en proporciones apreciables. El porcentaje
óptimo de adición de CBC recomendado por la mayoría de investigadores para lograr incrementos resistentes, 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% (Chusilp 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 (65.668.6 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 realizadas por Cordeiro et al. (2009), quienes adicionalmente
reportan que una molienda ultrafina de la adición
puede a su vez modificar positivamente el comportamiento reológico de las mezclas. Sin embargo, es
importante anotar que no todas las CBC presentan
igual comportamiento, Frías M. et al. (2011) evaluaron 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 tobas han sido igualmente objeto de estudio y se incluyen 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 directamente relacionados con la fuente de origen (Liebig and
Althaus 1998; Siddique 2008). Acorde a las características físicas de la toba, particularmente el contenido
vítreo, se han desarrollado materiales cementicios con
Valencia, G. et al.
]
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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 corresponden 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 incorporadas 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 elaboraron 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 sumergidas 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.
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% CO 2, 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 morteros 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 realizóun 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 CO 2 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 electroquímica 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.
Tabla 1. Propiedades físicas y químicas de los materiales
utilizados
Composición, %
OPC
TV
CBC
SiO 2
20,47
46,03
70,05
Al 2O 3
7,12
21,60
8,50
Fe 2O 3
2,36
10,46
3,10
MgO
4,05
8,67
0,50
CaO
63,26
11,76
2,80
1,31
0,59
8,50
22,92
48,08
13,98
Pérdidas por Calcinación
Tamaño Partícula
Promedio, µm
Figura 1: Montaje del mortero reforzado
Para la realización de los ensayos se siguieron las
normas correspondientes: resistencia a la compresión
(ASTM C109), propiedades de Absorción y porosidad (ASTM C642), Succión Capilar (SIA 162/1, ASTM
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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 especificado por la norma ASTM C618 para materiales de
adición de carácter puzolánico, la cual especifica que
la sumatoria de los óxidos SiO 2 + Al 2O 3 + Fe 2O 3 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 cuarzo (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 reportado 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
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Permeabilidad a cloruros
Tabla 2. Resistencia a la Compresión de Morteros
Adición, %
Resistencia a
la Compresión
(MPa)
0
10
CBC
20
CBC
28 días
12,28
16,16
90 días
16,07
19,12
10 TV
20 TV
9,67
17,45
12,16
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 mediante 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 desempeño. 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 patrón. 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 resistencia 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).
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 monitoreo 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 despreciable. 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 cloruros, 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 (Ramezanianpour et al., 2011). Los resultados aquí reportados 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 potencial recubrimiento frente a la corrosión del acero
estructural, particularmente en presencia de cloruros
(Andrade 2009).
Tabla 4 Resultados de Permeabilidad a Cloruros y
Resistividad
Tabla 3. Resultados de ensayos de permeación
Ensayo
Adición, %
Ensayos
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
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[
Adición, %
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 CO 2 se determinó
mediante la exposición de los especímenes en cámara
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ambiental a condiciones de 1% CO 2, 65% HR y 25 ºC.
El coeficiente de difusión del CO 2 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 K C representa el coeficiente de carbonatación y por tanto la velocidad de
penetración, expresada en mm/s 1/2.
X =Kc×√t
(1)
En la figura 4a se presenta la penetración de CO 2
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 exposición, 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 (K C ). El tiempo de
exposición al que ocurre este efecto y el valor del K C
es función del tipo de material, tal como se puede
apreciar en la Figura 4b.
corrosión. Posteriormente y hasta el final del ensayo
el mortero sin adición presenta el potencial de corrosión 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/
cm 2), y posteriormente se ubican en la región de baja
corrosión (entre 0,1 y 0,3 μA/cm 2), 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 4. (a) Penetración de CO2 en mm,
(b) KCO2 (mm/s1/2)
Figura 6. Aceros de Refuerzo, muestras inmersas en
Agua Potable
Ensayos Electroquímicos
Medio de Exposición: Agua
Medio de Exposición: NaCl 3,5%
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 diagrama correspondiente a la zona incierta de corrosión,
mientras la muestra adicionada con CBC se encuentra en la zona donde hay una alta probabilidad de
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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
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probabilidad de corrosión y con tendencia a presentar
velocidad de corrosión moderada (valores de corriente
de corrosión entre 0,5 y 1,0 μA/cm 2 ). Concuerdan
en alto grado estos resultados con los obtenidos en
el ensayo de permeabilidad a cloruros. Algunos investigadores 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 corregidas 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%
A diferencia de los dos medios anteriormente evaluados, agua y NaCl 3,5%, se aprecia que las tres mezclas
en presencia de CO 2 presentan un comportamiento
similar y, en términos generales, satisfactorio. El potencial 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 CO 2
evidenciada en los morteros, ya que a esta edad la profundidad 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 significativo 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 corriente 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/cm 2).
Cabe anotar, que aunque el comportamiento aquí evidenciado 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 8. Aceros de Refuerzo de las diferentes muestras
inmersas en NaCl 3,5%
Figura 9. Potencial y corriente de Corrosión en
presencia de CO2
Medio de Exposición: CO2
En la figura 9 se presenta el comportamiento de los
morteros en presencia de CO 2 (1% CO 2, 60% HR y
25 °C); cabe anotar que después de los 150 días de
ensayo las muestras se colocaron en un ambiente
saturado de CO 2 al 100%, para procurar su carbonatación completa.
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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
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materiales su susceptibilidad es mínima. La observación 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 cemento, 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
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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 permeabilidad 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, relacionados 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 CO 2 es satisfactorio,
no es así en presencia de NaCl al 3.5%.
• Con base en lo anterior, se resalta que las características 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 durabilidad de un material en un determinado ambiente
de exposición.
5. Agradecimientos
Los autores del presente trabajo de investigación agradecen a Colciencias (Programa EcosNord), la Universidad 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.
Valencia, G. et al.
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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]
Concepción, Chile
SAELZER G.
Universidad del Bío-Bío,
Concepción, Chile
HEMPEL R.
Universidad del Bío-Bío,
Concepción, Chile
GERBER A.
Hochschule Biberach,
Biberach, Alemania
Fecha de recepción
14/06/2012
Fecha de aceptación
19/07/2012
Revista de la Construcción
Volumen 12 No 22 - 2012
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Resumen
El ahorro de energía es un tema muy
de actualidad en Chile. En el sector de
la construcción 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. En este artículo,
se demuestra que en el centro-sur de
Chile, se puede ahorrar aproximadamente un 80% de energía en climatización con construcciones que cumplen
con el estándar energético, llamado estándar “Passivhaus”. Junto con la posibilidad 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 “Passivhaus”, 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 nacional. 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 aproximadamente 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.
de la Construcción
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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 energética 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 climatizar 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 edificaciones 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 arquitectónico, 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 complementariedad, 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 refrigeradores, donde se informa al consumidor, a través de una
etiqueta, la eficiencia energética del equipo. Para la cla-
páginas: 123 - 134
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[
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 eficiente y G el menos eficiente, en términos de consumo
energético. Revisando el estado de arte internacional,
se puede observar que existen algunos estándares energéticos 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 desarrollado 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 organizaciones 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 edificación 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 invierno y en verano, limitando la demanda energética de calefacción y refrigeración.
• Posibilidad de climatizar solo con el caudal de aire
exterior, necesario para lograr las condiciones de
higiene del aire interior.
Hatt T. et al.
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Revista de la Construcción
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• 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 interior 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, ventanas 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 experiencia de 20 años en la construcción de casas pasivas, se
establecieron las siguientes condiciones límites para
Europa central (Gantioler 2010): “Se cumple el estándar Passivhaus, si se consiguen todos los parámetros
de los siguientes requisitos”:
• Demanda máxima para calefacción de 15 kWh/m 2a
• Demanda máxima para refrigeración de 15 kWh/m2a
• Para edificios calefaccionados y refrigerados por
aire, se acepta como alternativa, también, el conseguir una carga suplementaria, para frío y calor,
menor de 10 W/m 2.
• 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, electricidad, auxiliar etc.) no superior a 120 kWh/m 2a
• Temperaturas superficiales interiores de la envolvente 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 muestran su validez en edificaciones construidas y monitoreadas, 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 estándar. 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.
126 ]
RevConsPUC-N22.indb 126
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[
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 multifactorial, 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 climáticas representativas del país. Las simulaciones térmicas, 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 algoritmos 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 diferentes 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 energético 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
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las combinaciones posibles fueron 20.736 casos de
estudio, con sus casos de referencia asociados
Los rangos de los parámetros definidos son muy exigentes para poder cumplir con un estándar energético 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/(m 2 K). 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 forma 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 térmica 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. Adicionalmente, se analiza el efecto de un intercambiador
de calor subsuelo-aire.
Los casos de referencia asociados a los casos de estudio, 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
Fuente: elaboración propia.
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Se consideran las siguientes condiciones límites para
la simulación térmica:
• Superficie construida: 100 m 2 , altura de un piso
2.50 m, de dos pisos 5m
• Ocupación 20-25 m 2/persona (durante 24 horas)
• Ganancias internas: caso de estudio 2.9 W/m 2 ,
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 “Passivhaus”)
• Temperatura interior: invierno 20 ºC, verano 26 ºC
(durante las 24 horas)
• Ventilación e infiltración:
– caso de estudio: aire exterior 30m 3/(persona y
hora) por un sistema de ventilación, hermeticidad 0.6 ACH (50 Pa)
– caso de referencia 1ACH (por ventilación e infiltración)
– Caso de estudio y de referencia en verano: Con
temperatura exterior > 23 ºC => ventilación
adicional de 2 ACH por apertura de ventanas
que en Santiago existe, en comparación con Concepción 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 20.736 casos estudiados,
indicados de manera separada para Santiago,
Concepción y Puerto Montt
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/
(m 2 a), para los casos de estudio y sus casos de
referencia.
• Demanda energética para refrigeración en kWh/
(m 2 a), para los casos de estudio y sus casos de
referencia.
• Demanda energética total (suma de refrigeración
y calefacción) en kWh/(m 2 a), para los casos de
estudio y sus casos de referencia.
El tiempo necesario para realizar las 20.736 simulaciones 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 simulaciones térmicas realizadas es, la demanda energética
en refrigeración y calefacción, para cada uno de los
20.736 casos estudiados. Estos resultados se graficaron en ilustración 2, separados por las 3 ciudades
estudiadas. Una observación de carácter general es,
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Fuente: elaboración propia.
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 estudio, 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 contabilizan todas las horas del año donde la temperatura es
inferior de 20º C, lo que significa que en todas esas
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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 limitada. Con las condiciones descritas anteriormente, se
puede lograr una climatización a través del flujo de
aire exterior, con una potencia máxima de refrigeración de 9,4 W/m 2 y de calefacción de 14 W/m 2. Esto
significa que para una casa de 100 m 2 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 respecto al cumplimiento del estándar.
Se puede observar, que existen diferencias significativas en la influencia de los parámetros, a partir de
las distintas ubicaciones geográficas y sus climas. En
Santiago se observa que los parámetros más importantes están relacionados a la protección del sobrecalentamiento 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 debieron 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/(m 2a) y 117 kWh/(m 2a), 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 “Passivhaus” y sus casos de referencia según reglamentación térmica RT en [kWh/(m2a)]
Fuente: elaboración propia.
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El gráfico en ilustración 3, muestra el resultado promedio de la demanda energética de los casos en estudio 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/(m 2a), dependiente a su ubicación geográfica, lo que es similar
a la demanda energética máxima permitida de 15 kWh/
(m 2a), 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 dinámicas. 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: Influencia de los factores investigados
a la diferencia de la demanda energética total en
Santiago
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Por otra parte, hay factores que tienen influencia en
ambas demandas, la de refrigeración y la de calefacción. Por ejemplo, la Forma es el factor menos significativo 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 influencia 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 paneles, 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 refrigeración 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 demanda 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/(m 2a) y en
Santiago aprox. 11 kWh/(m 2 a). Esto indica que el
factor más significativo tiene en Concepción un peso
mayor que el factor más significativo en Santiago,
Fuente: elaboración propia.
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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.
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por lo tanto, es altamente recomendable instalar un
sistema de ventilación con recuperación de calor en
Concepción.
la reducción de la demanda de los parámetros nombrados anteriormente. Por lo tanto, no se logrará el
estándar Passivhaus en Puerto Montt sin la incorporación de un sistema de ventilación con recuperación
de calor, una buena aislación térmica y ventanas de
una calidad superior.
Ilustración 5: Influencia de los factores investigados
a la diferencia de la demanda energética total en
Concepción
Ilustración 6: Influencia de los factores investigados a
la diferencia de la demanda energética total en Puerto
Montt
Fuente: elaboración propia.
Fuente: elaboración propia.
Puerto Montt: En la ilustración 6, se resume gráficamente la influencia de los factores con sus cambios
de niveles en la demanda e nergética total, de refrigeración 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/
(m 2 a) en calefacción, son esenciales los aportes en
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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 reglamentación térmica vigente en Chile. Se analizó la influencia
de los diferentes factores del diseño en la demanda
energética. Más adelante se formulan algunas recomendaciones generales para el diseño de casas Passivhaus 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 energética 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 sobrecalentamiento y un aumento de la demanda energética
de refrigeración en verano.
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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 energética 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 energética 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/(m 2 K),
una demanda energética promedio bajo los 10 kWh/
(m²a). Por el contrario, para lograr estas demandas
tan bajas sin un sistema de ventilación con recuperación 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 recuperación de calor.
4. Transmitancia térmica de los muros U≤0,35 W/
(m 2K), techumbre U≤0,28 W/(m 2K), radier U≤0,65
W/(m 2K).
Concepción: Como concepto general, se puede indicar que, maximizar las ganancias y minimizar las
pérdidas para bajar la demanda energética en calefacción, 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 incorporación 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/
(m 2a), 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.
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• Transmitancia térmica de los muros U≤0,35 W/
(m 2K), techumbre U≤0,28 W/(m 2K), radier U≤0,65
W/(m 2K).
• Ventanas termo paneles mejoradas con valores
U<1,5 W/(m 2K) y un factor solar g>0,6.
• Incorporar elementos de sombra en verano.
Puerto Montt: El concepto de maximizar las ganancias 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 implementación de un sistema de ventilación con recuperación 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/(m 2K),
techumbre U≤0,16 W/(m2K), radier U≤0,35 W/(m2K)
• Ventanas termo paneles mejoradas con valores
U<1,5 W/(m 2K) y un factor solar g>0,6
• Diseño arquitectónico con forma compacta
Uno de los parámetros estudiados, muestra un comportamiento similar en las tres ciudades estudiadas, y
se analiza a continuación. Este parámetro es la orientación 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 orientación 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 influencia 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-
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madamente un 80% de energía en climatización, en
comparación a construcciones que cumplen con la reglamentación térmica vigente en Chile (MINVU 2006).
Este estándar logrará una clasificación de eficiencia
energética de A+++ en comparación a las clasificaciones de la eficiencia energética propuestas en el sistema 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.
vivienda al nivel del estándar, con los recursos económicos 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 tecnología para construir casas “Passivhaus”, como
alta aislación térmica, ventanas termo paneles Low-E
con argón o los sistemas de ventilación con recuperación 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 necesaria 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).
• Demanda energética máxima para calefacción: 15
kWh/(m 2a),
• Demanda energética máxima para refrigeración:
15 kWh/(m 2a)
• Para edificios con calefacción y refrigeración por
aire, se acepta como alternativa, también, previa
comprobación, que es posible climatizar a la temperatura 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, electricidad, auxiliar…) no superior a 120 kWh/(m 2a)
• Temperaturas superficiales interiores de la envolvente térmica durante invierno >17 °C
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 flujo 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 económico 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
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RevConsPUC-N22.indb 133
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La propuesta para el cumplimiento del estándar “Passivhaus” en Chile contiene generalmente las mismas
obligaciones como en Europa central (Gantioler 2010).
Los puntos clave son, entre otros:
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 internacionales, 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 introducción del sistema de edificación pasiva en Chile” al
cual están integrados los autores del artículo. Los antecedentes 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.
Hatt T. et al.
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MSD y AraucoPly de Arauco. Santiago de Chile.
15. Bustamante, W., Y. Rozas, et al. (2009). Guía de Diseño
para la Eficiencia Energética en la Vivienda Social.
Ministerio de Vivienda y Urbanismo División Técnica de
Estudio y Fomento Habitacional (MINVU) y Programa
País de Eficiencia 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 Eficiencia Energética (CNE/GTZ).
Santiago de Chile.
Hatt T. et al.
]
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Evaluación de los artículos
PÚBLICO OBJETIVO
La Revista de la Construcción está dirigida a profesionales, constructores, académicos, investigadores, empresas,
arquitectos, ingenieros y toda aquella persona que desee profundizar y actualizar sus conocimientos en el área de
la construcción, por ello invitamos a todos los profesionales y académicos a enviar sus aportes para ser evaluados y
eventualmente publicados en este medio.
OBJETIVOS
Los objetivos de la Revista de la Construcción son:
1.- Difundir los nuevos conocimientos en todos los ámbitos relacionados con la construcción (Edificación, Obras Civiles,
Materiales, Negocios, Enseñanza, etc.).
2.- Proporcionar a los profesionales del área un material de discusión que renueve y actualice sus conocimientos.
3.- Difundir nuevas tecnologías aplicadas en la construcción en el medio nacional e internacional.
4.- Proporcionar a los académicos nacionales y extranjeros de un medio avalado internacionalmente, con el fin de
compartir sus conocimientos y abrir la discusión en las temáticas planteadas.
EVALUACIÓN DE ARTÍCULOS
1.- El equipo editorial, conformado por dos profesionales del área de la construcción y el Editor, tienen la responsabilidad de recepcionar los artículos y emitir un primer juicio sobre los aspectos formales, además de rechazar un
artículo cuando este no cumpla con las instrucciones básicas para su publicación y esté fuera de la temática de la
Revista o bien no cuente con suficiente mérito científico y académico.
2.- El Editor enviará el artículo a un árbitro (miembro del Comité Editorial) especialista en el área del tema, el cual
deberá realizar su evaluación de acuerdo a una pauta previamente confeccionada. Este árbitro deberá rechazar,
aceptar o bien aceptar con distinción un artículo. En caso de rechazo se deberá fundamentar esta situación, luego
el artículo será devuelto al autor con las observaciones pertinentes.
3.- Los árbitros o evaluadores deberán verificar que se cumplan todos los aspectos formales, además de comprobar
que las conclusiones estén acordes con los diseños metodológicos expuestos y los objetivos planteados. Los árbitros
conocerán la identidad de los autores, pero estos desconocerán a sus evaluadores.
4.- De existir observaciones, sean menores o medianas, y si el artículo está aceptado, el Editor se contactará con el
autor para que este realice las modificaciones indicadas en un plazo prudente, una vez realizadas estas modificaciones el artículo estará en condiciones de ser publicado.
5.- Si el artículo no es aceptado será enviado a otro árbitro; si el rechazo es confirmado, el artículo lo será definitivamente y se comunicará al autor esta decisión y se enviarán las evaluaciones correspondientes.
6.- Si el artículo es rechazado por un árbitro y aceptado por un segundo, se enviará el artículo a su autor con las
evaluaciones correspondientes, una vez que se hayan realizado las modificaciones el Comité Editorial lo incluirá
nuevamente en la lista de artículo para evaluar.
Revista de la Construcción
Volumen 10 No 1 - 2011
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Normas de Publicación
Aceptamos artículos originales de carácter científico, dentro del ámbito de la construcción. Previo a su publicación,
los artículos serán evaluados por nuestro Comité Editorial.
Los artículos deben ser enviados como un archivo digital a [email protected]. El texto podrá tener una extensión de entre
4.000 a 6.000 palabras, incluyendo figuras y tablas.
Los artículos enviados deberán cumplir con los siguientes requerimientos:
- Incluir al menos las secciones: Introducción, Resultados, Discusión y Conclusiones.
- Documento en Microsoft Office Word (versión 97 o posterior).
- Texto en Times New Roman o Arial, tamaño: 12 pt, Justificado.
- El título, tres palabras clave y resumen escritos tanto en español como en inglés.
- La extensión del resumen será entre 100 y 200 palabras.
- Enviar las ecuaciones, figuras, imágenes, fotografías, tablas y diagramas separadamente del texto y en su formato
original.
- Presentar las referencias bibliográficas de acuerdo a los estándares de APA (American Psychology Association).
La fecha de entrega para el próximo número es el 15 de octubre de 2012.
Ante cualquier duda, agradecemos contactarnos vía correo electrónico a:
[email protected]
Submission Guidelines
We welcome original scientific work, covering all areas within the Construction field. Prior to their publication, papers
are assessed by experts from our Editorial Committee.
Papers must be submitted in a digital format to [email protected]. In length, the main body of the text should be between
4,000 and 6,000 words long.
Papers submitted for publication will comply with the following requirements:
- They must be written including at least the four following sections Introduction, Results, Discussion and Conclusions.
- Microsoft Office Word file (97 or older).
- Text in Times New Roman or Arial, size: 12pt, Justified.
- Title, Three Keywords and Abstract should be included in both Spanish and English languages.
- Abstracts’ length should be between 100 to 200 words.
- All equations, figures, photos, tables and diagrams must be submitted separately from the text, in their original
format.
- References are to be presented according to APA (American Psychology Association) standards.
The deadline for the next issue is 15th october 2012.
Should you have any queries, please do not hesitate to contact us on:
[email protected]
Inscripción Nº ISSN 0717 - 7925
Edición: agosto 2012
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RevConsPUC-N22.indb 136
DISEÑO:
MARÍA PAZ CROXATTO
DIAGRAMACIÓN:
ALFABETA ARTES GRÁFICAS
[email protected]
Revista de la Construcción
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