Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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CAPITULO 3.

PRINCIPIOS DE DISEÑO PARA EL LADRILLO TERMORESISTENTE 1. Introducción

El Cuadro de exigencias definido por la nueva Reglamentación Térmica, rige finalmente las características térmicas de la envolvente de edificios en Chile, y es evidente que deberán introducirse cambios a los actuales sistemas constructivos en albañilería y otros materiales. La magnitud de estos cambios, es la cuestión en estos momentos. De acuerdo a lo observado en el catastro de la calidad térmica, las soluciones nacionales de muro en albañilería son muy precarias. Esta precariedad, sumada a los diferentes niveles de exigencias térmicas en las distintas zonas climáticas, plantea la necesidad de desarrollar diferentes tipos de ladrillos o soluciones para atender los distintos niveles de mejoramiento térmico que se demanda hoy en día. Se debe que tener en cuenta también, que la viabilidad técnica y económica de una determinada solución está en relación directa con la magnitud del impacto que se quiere lograr.

Los estándares de aislamiento térmico de los muros de albañilería de ladrillos cerámicos en Chile, según los resultados del catastro del año 2003 [4], se encuentran en el rango de transmitancia (U) entre 1,9 y 2,5 (W/m²K), como se deduce del cuadro Nº4 del cap.2. Se muestran valores de transmitancia térmica que se entienden insuficientes respecto de las necesidades de protección térmica y del uso óptimo y mínimo de energía para acondicionar edificios en toda la zona centro sur del país. En estas zonas centro sur, destacan el uso de albañilerías de ladrillo, particularmente en la Región Metropolitana y en las regiones V hasta la VIII, territorio donde además se concentra la mayor parte de la población nacional.

Del mismo catastro y evaluaciones experimentales, se desprende que “la conductividad térmica equivalente λeq (W/mK) de la variedad de ladrillos locales hechos a máquina varía entre 0,297 y 0,475 (W/mK), con un valor medio en torno a los 0,394 (W/mK), observándose una dispersión importante de las características de conductividad térmica equivalente dentro de las distintas manufacturas locales” [4]. Ello se atribuye principalmente a la morfología particular de cada diseño de ladrillo (el porcentaje de huecos contenido, el tamaño de las cavidades y su distribución dentro del cuerpo del ladrillo) y, en menor proporción, a las características termoresistentes de las arcillas usadas para su fabricación, las que poseen propiedades relativamente similares dentro el gran número de las manufacturas locales.

En consecuencia, se proponen estrategias de mejoramiento térmico en función de los impactos buscados, esto es, estrategias de impacto menor, ajustadas técnica y económicamente para lograr mejoramientos en torno al 20%, porcentaje que permitiría ajustarse a las nuevas exigencias térmicas nacionales y a las capacidades de la industria nacional.

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A partir de estas determinantes, se hace una revisión de las características de las distintas unidades de ladrillos para determinar cuales serían los aspectos morfológicos más susceptibles de ser innovados o bien conservados.

De la revisión, primero podemos observar, que en el aspecto dimensional de las unidades de ladrillos nacionales, toda la producción industrial normal de ladrillos cerámicos en Chile, tiene prácticamente iguales dimensiones, 14cm de ancho, 29cm de largo y alturas variables entre 7 y 14cm, como se indica en el cuadro Nº 8 del cap. 2. Se puede observar también que, los porcentajes de huecos de las unidades perforadas, varían entre un 40 y 60% de su volumen bruto. La normativa en Chile determina que el área neta de las unidades perforadas o con huecos debe ser mayor o igual al 50% del área bruta. La industria nacional, incorpora en sus diseños el máximo porcentaje de aire al interior del cuerpo del ladrillo, del orden del 50% de su volumen bruto. Ello no responde necesariamente a una razón de calidad térmica sino, más bien, a una razón de costo, dado que el concepto de “vender más aire que cerámica”, tiene una significación económica importante, motivada por la reducción de materias primas (arcilla), ahorro de energía en secado y cocción y, también influye en los costos de transporte.

Del análisis morfológico y dimensional de las producciones nacionales de ladrillos, se puede observar que es bastante característico y muy poco variado. Las dimensiones y sus formas son determinadas principalmente por factores técnicos de tipo estructural y por factores económicos relativos al uso de material arcilloso y también, por otros relativos a la modulación arquitectónica de muros y consideraciones estéticas. En prácticamente todos los casos, se puede observar que las perforaciones son de geometría ortogonal simple, cuadrados principalmente, con numerosas conexiones en la dirección del flujo térmico. Estas conexiones actúan como puentes térmicos ya que reducen el trayecto del flujo térmico por conducción a prácticamente el espesor del ladrillo. Por otro lado, dentro del alvéolo, el gradiente de temperaturas entre las caras opuestas de las perforaciones es alto, debido a sus grandes dimensiones, lo que favorece el movimiento del aire atrapado y el traslado del flujo térmico por convección. Ambas situaciones explican en gran parte el bajo poder aislante de las albañilerías de ladrillos locales. De lo anterior entonces, se puede concluir entonces que, los resultados del comportamiento térmico obedecen principalmente a que, en todos los casos, la morfología alveolar de las producciones nacionales, determinada por la geometría de las perforaciones, el tamaño de éstas, su orientación y distribución en el cuerpo del ladrillo, tiene un propósito puramente estructural. El aspecto térmico pareciera ajeno a todo diseño morfológico de las unidades actuales y sólo aparece como preocupación una vez que surge la necesidad de implementar, por el Estado de Chile, la nueva reglamentación térmica para el país. A nivel internacional, en cambio, existe una amplia variedad de desarrollos de ladrillos termoresistentes [46][47][48][49][50]. La necesidad que origina y que buscan resolver estos desarrollos, en todos los casos es la protección térmica de edificios. Protección reglamentada en las ordenanzas constructivas a través del indicador de transmitancia térmica de muros U (W/m²K), cuyos estándares o niveles de aislamiento térmico exigible son fijados en relación al clima del lugar de servicio del muro. Prácticamente todos los diseños de ladrillos termoresistentes analizados, a partir de patentes de invención y bibliografía y folletos internacionales, han sido concebidos para alcanzar estándares de transmitancia en el rango de U: 0,2 a 0,6 (W/m²K) y para climas fríos con grados día superiores a los 2000, característico de países como Alemania, Inglaterra, Canadá y otros en latitudes similares.

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Las características más significativas y recurrentes en la mayoría de estos diseños termoresistentes, son los grandes espesores de entre 25 a 45 cm y más, en el sentido del flujo térmico y en el gran número de filas de perforaciones que permiten estos espesores (más de 30 filas en la dirección contraria al flujo de calor). Otra característica común es el reducido tamaño de las perforaciones y el uso de arcilla porosa, a través del uso de aditivos como partículas de poliestireno o polvo de madera que se mezcla a la materia prima base, partículas que en la fase de cocción se encienden dando por resultado poros pequeños de aire. Figura 44: Fotos ladrillos internacionales

Fuente: catalogue Briques porotherm, Wienerberger 2002

La necesidad de introducir cambios en los actuales diseños morfológicos de los ladrillos cerámicos nacionales, motivación principal de la presente tesis y que en lo particular pretende, abordar precisamente los aspectos térmicos no considerados en la normativa vigente referida a la fabricación de ladrillos, de tal manera de innovar la morfología incorporando el concepto de disminuir el flujo térmico a través del cuerpo del ladrillo, sin modificar en principio las dimensiones externas de la unidad. Esto es, innovar el diseño morfológico del ladrillo interviniendo convenientemente el flujo térmico, manejando principalmente las componentes conductivas y convectivas, aspectos que pasan a ser el fundamento para la determinación de los criterios de diseño de ladrillos termoresistentes. [25]

2. Aspectos térmicos involucrados en la determinación de los principios de diseño.

2.1 Transferencia de calor a través del cuerpo del ladrillo

2.1.1 Transferencia de calor por conducción:

Si se analiza el ladrillo como unidad, se observa que está compuesto en proporciones equivalentes de masa cerámica y aire, distribuido según la morfología particular de cada tipo de ladrillo. Ahora, entendiendo que la única forma de transferencia de calor en los sólidos es por conducción y que la conductividad del aire completamente quieto es mucho más baja que la de cualquier material sólido, puede determinarse que la masa cerámica será el principal conductor de calor a través del ladrillo. [26][27][28] Los ladrillos, en general, se ordenan por una geometría ortogonal simple con un número importante de conexiones transversales rectas en la misma dirección del flujo térmico, lo que llamaremos puentes térmicos directos y que reducen el trayecto del flujo térmico

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por conducción a prácticamente el espesor del ladrillo, a lo que llamaremos trayectoria del flujo térmico mínimo. En la figura 45, muestra un ladrillo de morfología típica, donde se observa el número de líneas formadas por los tabiques cerámicos estructurales continuos, que cruzan transversalmente el ladrillo, formando los puentes térmicos directos o trayectorias de flujos térmicos mínimos (entre 8 y 10 puntos térmicos débiles). Este problema influye fuertemente en el rendimiento térmico de casi la totalidad de los ladrillos cerámicos fabricados en Chile que, sin duda, abre un camino claro en el desarrollo morfológico, generando dos de los principios de diseño fundamentales a desarrollar en el presente trabajo, que son: minimizar los puentes térmicos y maximizar la trayectoria del flujo térmico.

Figuras Nº 45: Recorrido del flujo de calor a través de ladrillos de morfología típica nacional.

Ladrillo SANTIAGO Ladrillo TRE Ladrillo TEA

De estos tres ejemplos mostrados, los dos primeros, el Santiago y el TRE, son los de mayor producción a nivel nacional y el tercero es el único con una geometría diferente. Revisando la geometría de estos ladrillos, desde el punto de vista de la conducción o del concepto de máxima trayectoria térmica, podemos observar que el ladrillo Santiago, presenta siete puentes directos y dos indirectos, el ladrillo TRE, presenta ocho puentes directos y dos indirectos y, el ladrillo TEA, el único de geometría diferente, con líneas ligeramente diagonales, formando de esta manera puentes térmicos indirectos, salvo los dos de los extremos que son directos. Las pequeñas desviaciones de las líneas no afectan significativamente la trayectoria del flujo térmico, por lo tanto su geometría también tiene poca incidencia en el mejoramiento del comportamiento térmico.

2.1.2 Transferencia de calor por convección:

La diferencia de temperatura al interior de un gas (aire), producirá en la mayoría de los casos, un movimiento de este fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. Si se calienta el aire, su densidad suele disminuir, por lo tanto, el aire más caliente y menos denso ascenderá, mientras que el aire más frío y más denso descenderá. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del aire, se denomina convección natural. [25][26][27]

Como se ha indicado anteriormente, el ladrillo es un cuerpo geométrico que está compuesto en proporciones equivalentes de masa cerámica y aire. El aire, atrapado en las celdas (alvéolos), se moverá dependiendo de la diferencia de temperatura que exista entre las caras opuestas de los alvéolos. Este movimiento convectivo aumentará en la

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medida que la diferencia de temperatura de las caras internas opuestas de la celda sean mayores, lo que dependerá del tamaño y forma del alvéolo.

Por ejemplo, si se calienta una de las caras externas del ladrillo cerámico, de forma que aumente su temperatura, el movimiento convectivo del aire atrapado de los alvéolos hará que el calor se transmita de la cara más caliente hasta la cara opuesta más fría por convección, como se indica en la figura N° 46. En la medida que el alvéolo sea mayor en el sentido del flujo de calor, la diferencia de temperatura entre las caras opuestas también será mayor y, por lo tanto, el movimiento convectivo será más importante facilitando de esta manera la transferencia de calor por convección.

Figura Nº 46: Movimiento convectivo del aire al interior de los alvéolos.

Planta Corte transversal

2.1.2 Transferencia de calor por radiación:

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y a la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar necesariamente en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío, en el caso del ladrillo, el vacío definido por los alvéolos. [25][26][27]

Las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida y, las sustancias, además de emitir radiación, todas son capaces de absorberla. Las superficies opacas, pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores y, por otro lado, las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. [28] El ladrillo está compuesto en su parte sólida solamente por cerámica, material de superficies opacas y de cierta rugosidad, por lo tanto, es buen absorbente de calor. En el ladrillo, entre las superficies de los alvéolos, habrá intercambio de calor por radiación de la pared más fría a la más caliente, donde parte es absorbida y otra reflejada, hasta lograr el equilibrio entre ambas partes. Este es un efecto que siempre estará ocurriendo dado que, jamás se logrará un equilibrio en ambientes térmicos diferentes (interior y exterior) y que además, están constantemente cambiando.

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Lo anterior nos indica que la transferencia de calor por radiación en el ladrillo es cierta, sin embargo en la presente tesis se decidió no intervenir todos los aspectos de la transferencia por radiación, por las siguientes consideraciones:

- La capacidad del ladrillo cerámico de absorber y emitir energía radiante, es un

fenómeno que está relacionado con la naturaleza del material, con su emisividad y capacidad de absorber energía. Dentro de los objetivos de la presente tesis no esta modificar las características termoresistentes de las arcillas (la emisividad del material o su capacidad absorbente) sino, se enfocan principalmente a la innovación morfológica del ladrillo, para lo cual se usará en la fabricación de los prototipos, las materias primas que hoy utiliza la industria del ladrillo nacional.

- La energía emitida por un cuerpo aumentará en la medida que sea mayor su temperatura. En estos casos, donde las temperaturas involucradas en los muros de un edificio habitacional (en la superficie de los ladrillos y en su interior perforado), no son suficientemente altas como para que la radiación sea un efecto significativo.

Sólo se considerará el aspecto que indica que: la radiación depende de la diferencia de temperatura entre las caras sólidas y opuestas y, que mientras menor sea la abertura de aire entre estas caras, menor será la diferencia de temperatura y por consiguiente menor será la radiación. Esta última consideración se relaciona de manera muy similar al aspecto que se aborda en el intercambio de calor por convección, donde también la diferencia de temperatura de las caras opuestas está relacionada con el movimiento convectivo del aire al interior de los alvéolos.

Figura Nº 47: Esquema de traspaso de calor dentro de la cavidad alveolar, por radiación.

Planta Corte transversal

3. Aspectos estructurales (morfológicos y dimensionales) involucrados en la determinación

de los principios de diseño:

Dentro de las determinantes de diseño estructural, deben observarse dos aspectos, que tienen gran relevancia para el comportamiento mecánico del ladrillo.

El primer aspecto a considerar en el diseño estructural: se refiere al ladrillo como cuerpo que forma parte de un muro de albañilería, esto es, cuando está confinado y trabado por la masa de mortero de pega con otras unidades, obteniendo de esta manera una resistencia mucho mayor

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que cuando el ladrillo está libre. El ladrillo, como parte de una albañilería, es sometido a esfuerzos mecánicos e hídricos propios del muro estructural, requisitos exigidos al ladrillo y que están definidos y regulados por las normas chilenas: de forma y terminación; geométricos; dimensionales y también, las aptitudes exigibles, mecánicas e hídricas, normas establecidas actualmente en NCh 169 Of. 2001, NCh 167 Of. 2001, NCh 1928 Of 1993, NCh 2123 Of 1997, NCh 2829 C 2002 y NCh 168 Of 2001. Y, que clasifican los ladrillos, atendiendo sus propiedades físicas y mecánicas en clases y grados según lo siguiente:

Grado 1: Dentro de esta clasificación están los ladrillos macizos hechos a máquina, los ladrillos perforados hechos a máquina y los ladrillos huecos hechos a máquina. Además deben cumplir con algunos requisitos mecánicos a la compresión, absorción de agua y adherencia, los que se señalan en la siguiente tabla:

Cuadro Nº 33: Requisitos Mecánicos Ladrillo Grado 1.

Grado 1 Requisitos Mecánicos MqM MqP MqH

Resistencia mínima a la Compresión MPa 15 15 15 Absorción máxima de Agua % 14 14 14 Adherencia Mínima (área neta) MPa 0,4 0,4 0,4

Fuente: NCh 169 Of 2001

Grado 2: Dentro de esta clasificación están, los ladrillos perforados hechos a máquina y los ladrillos huecos hechos a máquina. Al igual que los de grado 1, estos deben cumplir con algunos requisitos mecánicos a la compresión, absorción de agua y adherencia, señalados en la siguiente tabla:

Cuadro Nº 34: Requisitos Mecánicos Ladrillo Grado 2.

Grado Requisitos Mecánicos MqM MqH

Resistencia mínima a la Compresión MPa 11 11 Absorción máxima de Agua % 16 16 Adherencia Mínima (área neta) MPa 0,35 0,35

Fuente: NCh 169 Of 2001

Grado 3: Dentro de esta clasificación están, los ladrillos perforados hechos a máquina y los ladrillos huecos hechos a máquina. Al igual que los anteriores, estos deben cumplir con algunos requisitos mecánicos a la compresión, absorción de agua y adherencia, señalados en la siguiente tabla:

Cuadro Nº 35: Requisitos Mecánicos Ladrillo Grado 3.

Grado Requisitos Mecánicos MqP MqH

Resistencia mínima a la Compresión MPa 5 5 Absorción máxima de Agua % 18 18 Adherencia Mínima (área neta) MPa 0,30 0,30

Fuente: NCh 169 Of 2001

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El segundo aspecto a considerar en el diseño estructural: no regulado por las normas chilenas, se refiere al ladrillo como unidad, esto es, principalmente durante los procesos de fabricación. En la práctica industrial, los problemas propios del diseño suceden durante las distintas fases del proceso y que se concentran principalmente en lo que llamaremos, de esfuerzos laterales de proceso y, que se observan en las fases del ladrillo crudo (arcilla húmeda); en las fases de secado y cocción y; en las fases de embalaje y transporte, fases que se explican a continuación:

Figura 48: Esquema de carga lateral

- En la fase cruda: la masa cerámica recién extruida es moldeable, flexible y muy plástica. En esta fase, sólo el peso propio de la masa arcillosa puede producir deformaciones por aplastamiento, sobre todo en la base apoyada cuando es conducida por las cintas y, también durante los mecanismos de corte y de traslado de una faena a otra, pueden deformar los alvéolos y tabiques internos, si estos no están preparados para estas solicitaciones.

Estas acciones que provocan deformaciones o tensiones internas que finalmente, significan problemas dimensionales, deformaciones permanentes o el colapso y que pueden surgir recién, tanto en las etapas siguientes de secado o cocción como en las faenas de almacenaje y transporte, situaciones que pueden provocar grandes pérdidas a la empresa productora. Ver figuras 49 y 50.

Figura 49: Colapso por tensiones internas figura 50: Deformación por aplastamiento

- En la fase de secado y cocción: la ladrillo crudo y húmedo es sometido, primero, a

esfuerzos laterales de proceso, en las acciones de carga de los carros, donde se encastillan unos sobre otros, dispuestos de costado para permitir el paso del calor y, segundo, son sometidos a secado y cocción a aproximadamente 100°C y a 1000°C respectivamente. Si durante los procesos anteriores al secado y cocido se han

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incorporado tensiones y fisuras dentro el ladrillo, las probabilidades de colapso en el secador y el horno son muy altas, ver figura.

Figura 51: Encastillado de ladrillos de costado.

Fuente : Cerámicas Bio Bio

El peso propio se descarga directamente sobre el ladrillo inferior, generando cargas laterales que pueden ser excesivas.

- En la fase de embalaje y transporte: El ladrillo es retirado del horno y depositado sobre los pallets directamente encastillando unos sobre otros, como se indica en la figura 52 anterior, formando paquetes de 360 unidades dispuestos de costado. Las unidades inferiores de los paquetes, por lo tanto, están sometidas a grandes esfuerzos laterales por el peso de las unidades superiores. Durante el transporte y la carga y descarga, el problema se agrava debido a la mala calidad de los pallets utilizados por la industria nacional, que no presentan un apoyo rígido y menos una base de apoyo pareja, sometiendo a los ladrillos a esfuerzos mayores y puntuales, ver forma de apliado en figuras 51.

Figura52: Fotografías de acopio y embalaje

Fuente: Industrias Princesa S.A.

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La posición de costado o de canto del ladrillo en todas las etapas productivas y de embalaje y transporte, situación que provoca el problema, no es posible de cambiar ya que en el proceso, como se ve en las figuras 51 y 52, opera con el ladrillo en la posición de canto o de costado y, luego en las etapas de secado y cocción, el ladrillo también debe ubicarse de costado para que el calor fluya fácilmente por entre sus cavidades.

Las precauciones principales indicadas a partir de la experiencia industrial, se observa lo siguiente:

- Evitar perforaciones extensas en el sentido longitudinal del ladrillo, para evitar

tabiques largos que pueden deformarse en la etapa cruda, ver figura 54. Esto, obviamente es contrario a lo que se plantea en el diseño termo-resistente y por otro lado avala los actuales diseños de geometrías ortogonales y con gran número de líneas que cruzan transversalmente el ladrillo, como indica la figura 53.

Figura 53: Deformación por cargas laterales Figura 54: Detalle zona débil

- Evitar cargas excéntricas sobre las cavidades muy oblongas, como se indica en la figura 55. Esto, también es contrario a lo que plantea el diseño termo-resistente, que indica que se desea evitar los puentes térmicos directos, justamente incorporando cavidades lo más oblonga posibles.

Figura 55: Detalle carga puntual en zona débil

Otro aspecto relevante es el dimensionamiento de las unidades de ladrillos, que como se ha dicho anteriormente, se puede observar que toda la producción industrial normal de ladrillos cerámicos en Chile tiene prácticamente iguales dimensiones, 14cm de ancho, 29cm de largo y alturas variables entre 7 y 14cm, como se indica en los cuadros Nº 37 al 39.

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Cuadros Nº 36: Tipos de ladrillo y sus dimensiones producidos por las principales empresas de la Industria nacional.

LADRILLOS PRINCESA Tipo de Ladrillo

Dimensiones ( cm )

Titán reforzado hueco 29 x 14 x 7.1 Titán reforzado rejilla 29 x 14 x 7.1 Titán reforzado hueco c/corte 14.5 x 14 x 7.1 Titán reforzado hueco 3/4 22 x 14 x 7.1 Titán reforzado hueco extra 29 x 14 x 9.4 Titán reforzado rejilla extra 29 x 14 x 9.4 Titán reforzado hueco extra c/corte 14.5 x 14 x 9.4 Titán reforzado hueco extra 3/4 22 x 14 x 9.4 Gran titán reforzado hueco 29 x 14 x 11.3 Gran titán reforzado rejilla 29 x 14 x 11.3 Gran titán reforzado hueco c/corte 14.5 x 14 x 11.3 Súper titán reforzado hueco 29 x 14 x 14.2 Súper titán reforzado rejilla 29 x 14 x 14.2 Súper titán reforzado hueco c/corte 14.5 x 14 x 14.2 Titán estructural armado 29 x 14 x 7.1 Titán estructural armado extra 29 x 14 x 9.4 Rejilla Súper Flaco 24 x 17.5 x 7.1 Gran Rejilla Super Flaco 24 x 17.5 x 11.3

Fuente: Industrias Princesa

Cuadro Nº 37: Tipos de ladrillo y sus dimensiones

CERÁMICA SANTIAGO

Tipo de Ladrillo Dimensiones ( cm )

Santiago 5 29 x 14 x 5.5 Santiago 7 29 x 14 x 7.1 Santiago 7R 29 x 14 x 7.1 Santiago 7E 29 x 14 x 7.1 Santiago 9 29 x 14 x 9.4 Santiago 9R 29 x 14 x 9.4 Santiago 9E 29 x 14 x 9.4 Santiago 11 29 x 14 x 11.3 Santiago 11R 29 x 14 x 11.3 Santiago 11E 29 x 14 x 11.3 Santiago 14 29 x 14 x 14 Santiago 14E 29 x 14 x 14 Súper Flaco 24 x 17.5 x 7.1 Celda Standard 24 x 17.5 x 7.1

Fuente: Cerámicas Santiago

Cuadro Nº 38: Tipos de ladrillo y sus dimensiones

CERÁMICA BIO - BIO

Tipo de Ladrillo Dimensiones ( cm )

Sansón 29 x 14 x 10 Sansón 29 x 14 x 7

Fuente: Cerámicas Bio Bio

A partir de esto, se ha determinado no cambiar el formato en las dimensiones, ancho y largo, que son las medidas que están relacionadas con la morfología del ladrillo. El alto del ladrillo, no afecta el diseño morfológico, por cuanto está determinado solamente por

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la medida de corte transversal al bloque de arcilla, perpendicular a cualquier intervención morfológica. Variar las dimensiones del ladrillo para conseguir un mejor comportamiento térmico, principalmente en lo que se refiere al espesor del muro, es una de las primeras tendencias lógicas de cambio, tendencia observada en la mayoría de las soluciones de ladrillos termo-resistente analizadas a nivel internacional, donde se observan dimensiones que fluctúan entre los 25 a 45 cm de espesor. Sin embargo, en Chile, con espesores máximos muy pequeños, del orden de 14 cm, la idea de aumentar el ancho no es una solución factible, principalmente por una razón económica soportada en lo siguiente:

a. Los programas arquitectónicos de las viviendas y departamentos de edificios de

carácter social en Chile, se resuelven dentro la mínima superficie posible (35 - 70m²), superficie que se mide por el perímetro exterior del volumen edificado, según indica la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones. Aumentar, por lo tanto, el espesor de los muros perimetrales, significa disminuir los tamaños ya mínimos de los recintos y, por lo mismo, desmejorar fuertemente la calidad de vida del usuario, ver figuras 56 y 57.

b. El aumento en el espesor del muro significa también, aumentar toda la estructura complementaria del sistema de albañilería, esto es: aumentar el espesor de las fundaciones y el espesor de todo el sistema de vigas y cadenas de amarre, entre otros, ver figura 57. El aumento de los costos de la obra de albañilería, producto de estos ajustes, dejaría a este sistema fuera del mercado a prácticamente todos los programas habitacionales de la vivienda social que implementa el Estado.

Figura 56: Espesores de muros Figura 57: Corte ensanche muro Detalle ensanche muro

La variante altura de la unidad del ladrillo, que en Chile fluctúa entre los 7 cm y los 14 cm, será una variable importante a considerar, puesto que impacta fuertemente en el comportamiento térmico del muro de albañilería, puesto que está directamente relacionado con el área frontal de ladrillo versus el área frontal de mortero por unidad de superficie. Sin embargo como se dijo anteriormente, esta variable no interviene en el diseño morfológico, por cuanto la medida de altura de la unidad depende del corte transversal del bloque de arcilla, corte que se hace perpendicular a cualquier intervención morfológica, como se indica en la figura 58.

Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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Figura 58: Área frontal muro de albañilería, área ladrillo versus área mortero en un metro²

Albañilería de ladrillos de 140x290x70mm Albañilería de ladrillos de140x290x140mm área frontal ladrillos:: 72.9% área frontal ladrillos:: 82.5% área frontal mortero: 27.9% área frontal mortero : 17.5%

Con mortero de 20 mm de espesor Con mortero de 20 mm de espesor

4. Definición de los Principios de Diseño Morfológico: 4.1 Principios de diseño según los aspectos térmicos:

Del análisis morfológico de los ladrillos y de los aspectos térmicos vistos en el punto 2 de este capítulo, podemos determinar claramente los siguientes principios de diseño a partir de los conceptos de conducción, convección y radiación:

4.1.1 Principios de diseño a partir de los conceptos de Conducción:

Son determinantes los siguientes principios de diseño:

a- Generar la máxima trayectoria térmica, esto es, diseñar los tabiques internos con una geometría tal que el flujo de calor por conducción, transmitido a través de la masa cerámica, sea obligado a un recorrido significativamente mayor al espesor real del ladrillo, ver figura 59.

Figura 59: Esquema de máxima trayectoria térmica

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b- Generar el mínimo de puentes térmicos, esto es, lograr una geometría que permita estructurar el ladrillo con el mínimo de tabiques transversales y el máximo de tabiques longitudinales, de tal modo de incorporar el porcentaje de huecos permitido (50%), en pequeñas cavidades que se interpongan al flujo de calor, ver figura 60.

Figura 60: Esquema de puentes térmicos directos e indirectos

c- Disponer el máximo de líneas de alvéolos en el sentido transversal, de tal modo de frenar el flujo térmico, a partir de interponer en forma desfasada el máximo de corridas de celdillas de aire quieto, utilizadas como cavidades aislantes, ver figura 61.

Figura 61: Distribución de líneas alveolares en el sentido longitudinal

4.1.2 Principios de diseño a partir de los conceptos de Convección:

Junto con los conceptos conductivos, los convectivos son el otro mecanismo importante en la transmisión de calor y es el que se indica a continuación:

- Definir una forma para la cavidad alveolar, que sea lo más oblonga posible, esto es, lo más

estrechos posible en el sentido del flujo térmico y lo más alargados posible en el sentido perpendicular al flujo térmico. Estas cavidades deberán estar dispuestas en su lado mayor perpendicularmente al flujo térmico, ver figura 62.

Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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Figura 62: Cavidad alveolar oblonga para minimizar efecto convectivo. Dimensionamiento oblongo máximos permitido por la norma NCh 169 Of 2001 para la cavidad alveolar.

4.1.3 Principios de diseño a partir de los conceptos de Radiación:

El flujo de calor por radiación en el ladrillo depende de la diferencia de temperaturas entre las caras sólidas y opuestas de las cavidades del ladrillo, por lo tanto, mientras menor sea el espacio de aire entre estas caras, menor será la diferencia de temperatura y, por consiguiente, menor será la pérdida por radiación [28], por lo tanto:

- Definir, igual que para la convección, una forma para la cavidad alveolar, que sea lo más oblonga posible dispuesta en su lado mayor perpendicularmente al flujo térmico, ver figura siguiente.

Figura 63: Cavidad alveolar oblonga para minimizar efecto radiativo

4.2 Principios de diseño según los aspectos mecánicos estructurales:

Como se indica en el punto 3 anterior, se observan dos aspectos que tienen gran relevancia para el comportamiento mecánico del ladrillo. El primero, referido al ladrillo como elemento constructivo que forma parte de una albañilería, esto es, cuando está confinado y trabajando unitariamente en un muro y, por lo tanto, sometido a esfuerzos mecánicos e hídricos propios del muro estructural. El segundo, referido al ladrillo como unidad, principalmente en su etapa

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de fabricación, donde el ladrillo, aun en estado húmedo y crudo, es sometido a esfuerzos a los cuales está poco preparado. El peso propio de la masa cerámica y/o las manipulaciones propias del proceso productivo. En las etapas siguientes, de secado y cocción, también en las faenas de almacenaje y traslado, provocan cargas distintas a las del diseño estructural y que son eminentemente cargas laterales.

El primer aspecto, el ladrillo como elemento constructivo y que forma parte de un muro de albañilería, es un aspecto bastante estudiado y por consiguiente, bastante regulado por las normas actuales. Los principios de diseño basados en las restricciones impuestas por las normas que son las siguientes:

a- Mantener la equivalencia entre masa cerámica y cavidades alveolares, esto es, el área neta de las unidades perforadas o con huecos, debe ser mayor o igual al 50% del área bruta, ver figura 64.

Figura 64: Equivalencia entre masa cerámica y porcentaje de huecos en el cuerpo del ladrillo.

b- Para las unidades estructurales que incluyen las perforaciones donde se acepta colocar la armadura de acero, el área de estos huecos debe ser mayor o igual a 32 cm², y su dimensión mínima debe ser de 5cm, ver figura 65.

Figura 65: Dimensionamiento de las perforaciones mayores para recibir la armadura de acero, definidos por la norma NCh 169 Of 2001

c- Para los diseños que incluyan cáscara compuesta, término que establece la norma NCh 169 Of 2001 para la zona externa de la unidad, indicada en la figura 66, indica que esta cáscara debe tener un espesor mínimo de 38 mm.

Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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Figura 66: Cáscara Compuesta, dimensiones mínimas para la zona esta del ladrillo definida por norma NCh 169 Of 2001.

d- Para los diseños, con cáscara compuesta, cuyo porcentaje de huecos de esta cáscara no exceda al 35% y, cuyos huecos sean de área igual o menor a 6.5 cm² y, el espesor mínimo de los tabiques longitudinales y transversales que conforman la cáscara, debe ser mínimo de 10 mm, ver fig. 67.

Figura 67: Dimensionamiento alveolar y de tabiques dentro de la Cáscara Compuesta cuyo porcentaje de huecos no exceda el 35%, según NCh 169 Of 2001

e- Para los diseños con cáscaras compuestas, cuyos huecos sean de área superior a 6.5 cm², los espesores de los tabiques longitudinales y transversales deben ser mayores o iguales a 13 mm, siempre que las dimensiones de los huecos de la cáscara no excedan a 16 mm en el sentido del espesor de la cáscara ni de 127 mm en su longitud, ver figura 68.

Figura 68: Espesores de tabiques dentro de la cáscara compuesta, cuyas áreas alveolares

sean mayores a los 6.5 cm², según NCh 169 Of 2001

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f- Para los diseños con cáscara compuesta, el espesor de los tabiques ubicados fuera de la cáscara de la unidad, deben ser mayor o igual a 13 mm. Este requisito se puede reducir a 10 mm para los tabiques que separan un hueco de más de 6.5 cm² de área de otro de área inferior a 6.5 cm², y a 6 mm de espesor para tabiques que separan huecos con áreas inferiores a 6.5 cm², ver figura 69.

Figura 69: Dimensionamiento de alvéolos y tabiques para zona ubicada fuera de la cáscara

compuesta.

El segundo aspecto, referido al ladrillo como unidad y basado principalmente en su etapa de fabricación y también en las faenas de almacenaje y transporte, es un aspecto que afecta principalmente a la empresa productora por el alto índice de perdida que puede inducir un mal diseño y del cual no hay restricciones normativas, sino más bien, le compete al productor detectar sus propias regulaciones y que en términos generales hay coincidencia entre las distintas plantas industriales, por cuanto sus procesos y equipos industriales son bastante similares y que tienen la siguiente particularidad: Los ladrillos en todas sus etapas productivas, de embalaje y de transporte, se disponen de costado, esto es, distinto a como trabaja normalmente en el muro de albañilería y por lo tanto está sometido a esfuerzos distintos para lo que está concebido, ver figura 70.

Figura 70: Posición de los ladrillos frente a cargas de trabajo normal (A) y frente a cargas laterales puntuales durante el proceso productivo (B).

A. B.

Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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En base a lo anterior se definen los principios de diseño estructurales, que llamaremos: refuerzos para esfuerzos laterales de proceso. Estos requerimientos estructurales, pudiéramos decir con certeza que, son absolutamente contrarios a los principios de diseño térmico, por cuanto, los primeros (los estructurales), apuntan a fortalecer el ladrillo frente a cargas laterales, esto es, disponer el máximo de tabiques que conecten transversalmente el ladrillo para hacerlo más resistente a las cargas laterales, como en general se ve en los ladrillos nacionales actuales, cuya geometría alveolar que tienden a formar cavidades cuadradas. Los principios térmicos, por otro lado, apuntan a eliminar el máximo de tabiques rectos que cruzan transversalmente el ladrillo en el sentido del flujo térmico, tabiques que generan puentes térmicos directos. Frente a lo anteriormente indicado y, en razón de responder al objetivo del presente trabajo que es, “mejorar el comportamiento térmico del ladrillo”, los principios de diseño estructural para los esfuerzos laterales de proceso, se subordinan a los lineamientos que plantean los principios térmicos, esto es, eliminar los tabiques rectos y trabajar los esfuerzos laterales distribuyendo las cargas puntuales de tal modo, que los esfuerzos se repartan y se contrarresten entre sí, evitando concentraciones y puntos débiles que lleven al colapso. Los principios, finalmente son los siguientes:

a- Distribuir los esfuerzos de cargas laterales puntual, de tal modo que las cargas crucen

el cuerpo del ladrillo lo más indirectamente posible, ello se logrará distribuyendo esta carga puntual en dos líneas divergentes lo más simétricamente posible. ver figura siguiente.

Figura 71: Distribución de cargas laterales puntuales dentro del cuerpo del ladrillo

b- Evitar concentraciones de cargas laterales en los nudos, para evitar de esta manera zonas o puntos estructurales críticos, ver figura siguiente.

Figura 72: Concentración de cargas en un punto (Punto crítico o débil)

El trabajo de desarrollo morfológico deberá integrar convenientemente cada uno de los principios declarados anteriormente, observando cada vez y en forma iterativa, los aspectos térmicos y los estructurales que, como se dijo, son absolutamente contrapuestos.

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Finalmente y consecuente con los objetivos del trabajo, se definen y priorizan las líneas de trabajo a partir de los principios de diseño y que son conducentes a mejorar el comportamiento térmico del ladrillo. Se determina como la línea fundamental al principio de “MAXIMA TRAYECTORIA TERMICA, principio que acoge e integra a los otros principios térmicos y, a su vez, se le condicionarán los principios estructurales. A partir de los principios básicos de diseño morfológico, se proponen las distintas líneas de trabajo y, como se indica anteriormente, la primera, de máxima trayectoria térmica, estará presente en todas, como una línea básica fundamental. Otras líneas de trabajo se definen a continuación se trabajan como alternativas potenciales para maximizar los resultados térmicos:

1- Desarrollo de la máxima trayectoria térmica 2- Desarrollo de soluciones de corte de flujo de calor en unión lateral entre unidades 3- Desarrollo de cámara intersticial con aislante térmico 4- Desarrollo del concepto de cámara de aire intersticial o doble muro

Es importante indicar que todas las líneas de trabajo deberán cumplir con las siguientes consideraciones:

- Respetar todas las restricciones normativas vigentes. - Considerar los procesos y las restricciones industriales de la empresa nacional. - Lograr que el volumen de perforaciones y huecos sea lo más cercana al 50% del

volumen bruto.

5. Desarrollo de líneas de trabajo

5.1 Desarrollo del concepto de máxima trayectoria térmica.

Las principales ideas que se consideran en esta línea de trabajo son:

a) Restringir al máximo los puentes térmicos, (las líneas que crucen transversalmente la unidad).

b) Lograr máxima trayectoria térmica, es decir, dificultar lo más posible el flujo de calor a través del ladrillo.

c) Lograr la mayor homogeneidad geométrica, (distribución de las tensiones de trabajo y de

las tensiones internas).

d) Lograr la coincidencia de las perforaciones mayores (que alojan la armadura), con las perforaciones de las hiladas superiores e inferiores que van desfasadas.

e) Lograr el máximo porcentaje de huecos distribuidos en pequeños cavidades, para evitar el

efecto convectivo y el ingreso de mortero al interior de las cavidades.

Capítulo 3 Principios de diseño para el Ladrillo Termoresistente

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5.2 Desarrollo de soluciones de corte del flujo de calor en la unión lateral (llaga), entre unidades.

Las principales ideas que se desarrollan en esta línea de trabajo son:

a) Desarrollo de ladrillos con juntas laterales machihembradas, (entrabe entre unidades).

b) Desarrollo de ladrillos con juntas laterales de doble hembra, (interrupción del mortero en la llaga o la colocación de un aislante térmico que evite el puente térmico).

5.3 Desarrollo de cámara intersticial con aislante térmico.

Las principales ideas que se desarrollan en esta línea de trabajo son:

a) Desarrollar una geometría que permita lograr cavidades que formen dos o más líneas de aislación térmica traslapadas entre sí, para evitar o dificultar el flujo de calor transversal.

5.4 Desarrollo del concepto de cámara de aire intersticial o doble muro.

Las principales ideas que se desarrollan en esta línea de trabajo son:

a) Desarrollar una geometría que permita incorporar al interior del ladrillo y en el sentido longitudinal de éste, una o más cavidades, a la manera de un doble muro con un espacio de aire al interior.

Las líneas presentadas se desarrollan a partir de las posibilidades de fabricación de prototipos por parte de la industria productora, por lo tanto se trabajan con prototipos las dos primeras líneas, de trayectoria máxima y, de corte del flujo de calor por la unión lateral y la tercera línea, de cámara intersticial con aislante, se trabaja con el prototipo de la línea dos incorporando aislante térmico en sus cavidades y finalmente, la línea de cámara de aire intersticial o doble muro, queda planteado sólo a nivel esquemático.

Referencias:

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Urbanismo MINVU.2004 [4] Desarrollo experimental de especificaciones técnicas para el mejoramiento higrotérmico de muros

de albañilería y hormigón. Proyecto FONDEF D01I1161. CONICYT – UBB .2004 [24] U-value of a dried wall made of perforated porous clay bricks Hot box measurement versus

numerical analysis. K. Ghazi WAKILI, Ch. Tanner. 2002 [25] Numerical study of heat transfer in a wall of vertically perforated bricks: influence of assembly

method. B. LACARRIÈRE, B. Lartigue, F. Monchoux.2002 [26] On the Calculation of the U-Value of Walls Containing Slotted Bricks or Blocks. B.R.. ANDERSON.

1981. [27] Principios de transferencia de calor. Frank KREITH. Herrero hermanos, sucesores S.A. 1980. [28] Transferencia de Calor. J.P. HOLMAN. Octava edición 1998. España.

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y requisitos. [34] NCh 791 Of. 2001. INN, Norma Chilena Oficial/Construcción – Ladrillos Cerámicos - Definiciones. [35] NCh 831 Of. 71. INN, Norma Chilena Oficial/Coordinación modular en albañilería de ladrillos

cerámicos – Terminología y requisitos. [36] NCh 849 Of. 87, INN, Norma Chilena Oficial/Aislación térmica – Transmisión térmica -

Terminología, magnitudes, unidades y símbolos. [37] NCh 850 Of. 83. INN, Norma Chilena Oficial/Aislación térmica – Método para la determinación de

la conductividad térmica en estado estacionario por medio del anillo de guarda. [38] NCh 851 Of. 83. INN, Norma Chilena Oficial/Aislación térmica – Determinación de Coeficientes de

transmisión térmica por el método de la cámara térmica. [39] NCh 853 of. 91. INN, Norma Chilena Oficial/Acondicionamiento térmico – Envolvente térmica de

edificios – Cálculo de resistencias transmitancias térmicas. [43] NCh 1928 Of. 93. INN, Norma Chilena Oficial/Albañilería armada - Requisitos para el diseño y

cálculo. [44] NCh 2123 Of. 1997. INN, Norma Chilena Oficial/ Resistencia corte diagonal murete. [45] NCh 2829 C 2002. INN, Norma Chilena en consulta/Estanquidad al Agua