Clase No. 10 EL CLIMA Y LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION 1. Introducción A pesar de que los materiales usualmente utilizados en la construcción son relativamente pocos: adobe, cerámicos, morteros, hormigones, metales, madera, vidrio, sintéticos…… las alternativas de usos y combinaciones brindan un repertorio extensísimo de recursos en la búsqueda continua del hombre de su hábitat óptimo.

En relación estricta con el confort bioclimático, los problemas esenciales que se le plantean a los materiales son: “controlar”, conforme a los requerimientos, el ingreso de agua, aire, luz y la ganancia, acumulación y pérdida de calor. Existen regiones climáticas que tienen escasa variación térmica estacional (como es el caso de la nuestra), casos en que las estrategias para la elección de materiales con respecto a los intercambios de calor aparecen como mas evidentes (climas en los que normalmente hay mucho frío o mucho calor). En otras regiones climáticas lo que es determinante para el planteamiento de las estrategias en la elección de materiales es la alternancia diaria, días cálidos-noches frías, que optimizan el uso de la inercia térmica. 2.0 Fenómenos físicos. Los materiales. El producto arquitectónico es de naturaleza material, motivo por el cual la tecnología de la arquitectura se basa en el conocimiento de principios explicados por la física. Del inmenso campo abarcado por la física, a los arquitectos les interesa básicamente dos grupos de fenómenos:

- aquellos relacionados con la generación de condiciones de confort en los espacios construidos

- todo el otro grupo de fenómenos que tengan relación con la estabilidad y resistencia de la estructura del edificio

Dentro de aquellos fenómenos relacionados con el logro del confort en los espacios construidos cobran una especial jerarquía aquellos que involucran intercambio de energía calórica, por su implicación en la generación de microclimas internos. 2.1. Los materiales y su relación con el aire y el agua. El comportamiento de los materiales de construcción en relación al aire y al agua depende de una sola cualidad: la porosidad. Esta tiene relación con los espacios vacíos en los cuerpos.

TABLA DE COEFICIENTE DE POROSIDAD Ladrillos comunes 43% Revoque grueso 33%

Ladrillo industrial 32% Tejas comunes 29% Madera blanda 25%

Granito 4% Baldosas de cemento 0,46%

Como puede apreciarse el volumen de los espacios vacíos, es en algunos de ellos, bastante apreciable y de ello depende la permeabilidad al aire, al agua (higroscopicidad debido a la capilaridad). 2.2. Los materiales en relación a la luz solar. La mayor parte de la información que recibe el hombre del mundo que lo rodea la adquiere por medio del sentido de la vista. Pero los ojos son sólo capaces de captar una parte del espectro de la luz visible. Las longitudes de ondas mas largas que el ojo humano puede percibir son las del color rojo y de ahí hacia las mas cortas: naranja, amarillo, verde, azul hasta llegar al violeta. En relación al paso de la luz, los materiales pueden ser:

- transparentes: en los que la transmisión de la luz es perfecta y se puede por tanto ver a través de ellos

- translúcidos: la transmisión es difusa, por lo que se puede ver en forma confusa

- opacos: impiden totalmente el paso de la luz Los fenómenos de transmisión de calor de los materiales de la envolvente (piel o cierre) arquitectónica nunca se producen aislados. Son simultáneos, se interrelacionan, se combinan generando efectos variados. Pero a los arquitectos no nos interesa el comportamiento de los materiales en sí mismos, sino en su situación relativa dentro de la envolvente. Es por esto que se han agrupado estos fenómenos de más frecuencia en la superficie externa e interna del cierre de la edificación. 3.0 Propiedades de los materiales opacos. Las propiedades de los materiales opacos en relación al calor se pueden resumir en tres grandes grupos:

- propiedades del material en sí mismo - propiedades de la superficie del material - propiedades del elemento (conjunto de materiales)

3.1. Propiedades del material en sí mismo. Conductividad Térmica (λ): Representa la “facilidad” con que se propaga la energía calórica en un material. El factor de conductibilidad no tiene un sentido dimensional, sino que se refiere a la característica de un material. Está en relación directa con la densidad del material, a mayor densidad mayor conductividad y viceversa.

VALORES PRÁCTICOS DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Material Densidad

(ρ) (kg/m3) λ

(W/mK Acero 7800 60

Piedra natural 2700 3 Hormigón 2300 0.9-1.7

Ladrillo cerámico 1700 0.6 Madera 700 0.14

Lana mineral 50 0.04 Plásticos celulares (poliestireno) 20 0.036

Aire (quieto) (0.026)

Calor específico (c): Es la cantidad de energía necesaria para elevar 1ºC un gramo del material. La humedad tiene una gran influencia en el calor específico.

CALOR ESPECÍFICO EN ALGUNOS MATERIALES Material

Densidad (ρ) (kg/m3)

c (Wh/kgK)

Madera 700 0.7 Piedra natural 2700 0.25 Hormigón 2300 0.25 Ladrillo cerámico 1700 0.22 Lana de vidrio 50 0.22 Acero 7800 0.14

Resistencia o Resistividad Térmica (R): Es la inversa de la conductividad y expresa la dificultad con que el calor se propaga en un material (si se tiene en cuenta el espesor de la pared se habla de Resistencia). La resistencia de un elemento a la conducción es una medida de su valor aislante. En materiales homogéneos la resistencia térmica se calcula según la formula siguiente: R = d/λ, donde: d = espesor del material a considerar λ = conductividad térmica En materiales no homogéneos la resistencia térmica (R) se da en tablas. 3.2. Propiedades de la superficie de los materiales Absorción (a): Para un material cualquiera, la energía incidente (por radiación) es igual a la suma de la que refleja ese material, mas la que absorbe y mas la que transmite. Esta última es nula en el caso de los materiales opacos. Absorción es la cantidad de energía absorbida por un material y se expresa en %. Esta absorción de energía depende del color del material.

ABSORCIÓN EN ALGUNOS MATERIALES Material

a (%)

Pintura de cal 20-30 Aluminio 30-50 Acero galvanizado 30-50 Hormigón 45-65 Ladrillo cerámico 65-80 Bitumen (asfalto) 80-90

Emisividad (e): Cantidad de energía emitida (%) de radiación de onda larga (radiación de calor). Es independiente del color y es además, alta para todos los materiales con la excepción de los metales brillantes.

EMISIÓN DE CALOR EN ALGUNOS MATERIALES Material

e (%)

Pintura de cal 85-90 Aluminio 20-30 Acero galvanizado 40-60 Hormigón 85-95 Ladrillo cerámico 85-95 Bitumen (asfalto) 85-95

Resistencia de la superficie exterior (Rse), de la superficie interior (Rsi) y el terreno (Rt): La resistencia de las superficies, tanto exterior como interior, depende del movimiento del aire, el tipo de elemento (muro, techo, piso), la rugosidad del mismo y de su emisividad. La resistencia del terreno depende del tipo de suelo en cuestión. Pero ambas son la expresión de la resistividad o de la dificultad con que el calor se propaga en un material determinado. Es una medida de su valor aislante.

Rse Y Rsi EN ALGUNOS PAISES SELECCIONADOS Elemento

Flujo de calor

País

Rse (m2K/W)

Rsi (m2K/W)

Paredes horizontal Francia 0.06 0.11 India 0.04/0.03 0.12 Suecia 0.04 0.13 UK 0.06 0.12 Techos arriba/abajo Francia 0.05 0.09 India 0.04/0.03 0.11 Suecia 0.04 0.13 UK 0.04 0.10

3.3. Propiedades de los elementos de construcción. Capacidad térmica (C): El paso de la energía calórica a través de un material no es inmediato, por lo que hay un almacenamiento de la misma. A esta facultad de almacenar calor se le llama Capacidad Térmica. Se calcula según la siguiente fórmula: C = c x ρ x d se expresa en Wh/m2K, donde:

C = Capacidad térmica del material c = calor específico (Wh/kgK) ρ = densidad (kg/m3) d = espesor del material (m) Transmisión térmica (U): Tiene en cuenta todas las resistencias o resistividades incorporadas a un elemento constructivo, teniendo en cuenta también las de las superficies exteriores e interiores. Se calcula como: U = 1/Rtotal (W/m2K) Rtotal = Rse + R1 + R2 + …… + Rsi, donde: Rse = Resistencia de la superficie exterior Rsi = Resistencia de la superficie interior R1, R2, etc. = Resistencias de los materiales del elemento 4.0 Propiedades de los materiales transparentes. El principal material transparente usado en la construcción es el vidrio. Hay además algunos materiales plásticos transparentes. Las propiedades de los materiales transparentes (vidrio) son:

- transmisión (t) - absorción (a) - reflectancia ( r ) - emisividad ( e )

Tanto la absorción, la reflectancia y la transmisión se dan en % y la suma de ellas tres es igual al total del 100% y al mismo tiempo dependen del ángulo de incidencia de los rayos solares y del tipo de vidrio (absorbente o reflectante). a + r + t = 100

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES A BASE DE VIDRIO Tipo de vidrio

Transmisión(%)

Reflectancia(%)

Absorción (%)

Vidrio ordinario 3-4mm plano 84-89 8 3-8 Vidrio ordinario 6mm plano 72-74 8 16-18 Vidrio absorbente 6mm plano 42-43 5 52-53 Vidrio reflectante 6mm plano 21-26 18-20 56-59 Vidrio baja emisividad 4mm plano

83 11 6

Efecto invernadero: En el caso del vidrio claro común, así como de algunos plásticos, vemos que dejan pasar casi la totalidad de la onda corta incidente (solar) y son opacos a la onda larga (calor reirradiado por los objetos). En ambientes cerrados, la radiación solar entra a través del vidrio, calentando los objetos. Cuando estos reirradian lo hacen

con onda larga y esta radiación no pasa por el vidrio, por lo que se le suele llamar “trampa de calor”. El ejemplo mas frecuente es el excesivo aumento de la temperatura que ocurre en los automóviles cerrados estacionados al sol. Es el mismo principio que se usa en la construcción de los invernaderos de plantas en climas templados. Tabla 1. DENSIDAD, CONDUCTIVIDAD TERMICA Y CALOR ESPECÍFICO

DE ALGUNOS MATERIALES SELECCIONADOS Material Densidad

(ρ) (kg/m3)

Conductividad (λ)

(W/mK)

Calor especifico (c)

(Wh/kgK) Bloques de adobe 1000 0.3-0.4 0.30 1500 0.6-0.7 0.28 1700 0.75-0.80 0.24-0.28 Hormigón celular (bloques) 400 0.17 0.28 500 0.21 0.28 600 0.24 0.28 Hormigón celular (elementos en muros y cubiertas)

400 0.11 0.28

500 0.15 0.28 Aluminio (metal) 2700-2800 160-200 0.25 Asfalto (para mastiques) 1600 0.43 0.32 2300 0.12 0.32 Bitumen (asfalto en calles) 1050 0.18 0.50 Ladrillos de cerámica (densos y perforados) en muros

1400 0.42 0.26

1600 0.56 0.25-0.30 1800 0.73-0.81 0.24-0.30 Ditto, en clima calido-húmedo 1400 0.57 1600 0.73 1800 0.96 Tierra comprimida (bloques) 1700 0.8 - 2200 1.0 - Hormigón armado en clima calido-húmedo

2300 1.2 0.25

2400 1.5 0.25 Bloques de hormigón 2000 1.2 0.24 Cobre (metal) 8900 200 - Corcho (en planchas) 140 0.043 0.47-0.58 200 0.045 0.47-0.58 Bloques de arcilla expandida 550 0.18 - 600 0.21 - Tela de yute 300 0.04 0.30 Lana mineral (laminas) 50-150 0.034-0.036 0.18-0.21 Lana mineral (tableros) 300 0.049 0.21 Repello de cemento 2000-2100 1.2-1.4 0.28 Repello de yeso 700 0.28 0.23 1000 0.46 0.23 Repello de cal 1700 0.9 - Repello de cal+cemento 1800 1 .0 -

Plywood 500-600 0.13-0.14 0.75 Poliestireno expandido 15-130 0.033-0.039 0.47 Espuma de poliuretano 30 0.026 - PVC (en pisos) 1200-1600 0.40 - Arena 1500-1700 0.40-0.50 0.23 Acero (metal) 7800 50-60 0.13 Piedra (granito) 2700 2.9-3.5 0.21-0.25 Mármol 2400-2800 1.5-3.0 0.22-0.25 Piedra coralina 2000-2700 1.3-2.4 0.20 Madera blanda 500-600 0.14 0.76 Madera dura 700-900 0.16 0.66-0.76 Tableros de fibra de madera: Baja densidad 300 0.050 0.39 Media densidad 600 0.080 0.37 Alta densidad 1000 0.13 0.37 Fuentes: BRE (1984), BUR (1993), Bygg (1983), Carroll (1992), Evans (1980), Houben (1994), IBS (1987), SP (1985).

Tabla 2. DENSIDAD, RESISTENCIA TERMICA Y CALOR ESPECIFICO PARA CAVIDADES, BLOQUES ALIGERADOS, CUBIERTAS Y ENCHAPES

Material

Espesor

(mm)

Resistividad (R)

(m2K/W)

Densidad (ρ)

(kg/m3)

Calor especifico (c)

(Wh/kgK) Cavidades: Espacios no ventilados 5 0.11 1.2 0.28 10 0.14 1.2 0.28 20 0.16 1.2 0.28 50-100 0.17-0.18 1.2 0.28 Bloques aligerados en muros:

Arcilla (cerámica) 1 cavidad 50 0.09 1100 0.26 2 cavidades 100 0.20 1000 0.26 3 cavidades 150 0.27 1000 0.26 3 cavidades 200 0.33 900 0.26 4 cavidades 200 0.36 1000 0.26 4 cavidades 250 0.42 900 0.26 5 cavidades 250 0.47 1000 0.26 6 cavidades 250 0.51 1000 0.26 6 cavidades 300 0.57 1000 0.26 Hormigón: 1 cavidad 50 0.08 1700 0.25 1 cavidad 100 0.11 1200 0.25 1 cavidad 150 0.15 1100 0.25 2 cavidades 150 0.18 1300 0.25 2 cavidades 200 0.22 1200 0.25 4 cavidades 200 0.28 1300 0.25 7 cavidades 200 0.45 1400 0.25 3 cavidades 250 0.31 1100 0.25

4 cavidades 250 0.34 1200 0.25 9 cavidades 250 0.60 1400 0.25 4 cavidades 300 0.40 1100 0.25 5 cavidades 300 0.42 1300 0.25 Cubiertas y enchapes: Tejas de asbesto cemento

6

0.16

1600

0.25

Tableros de madera 20-30 0.20 600 0.14 Paneles de enchape de concreto

40-100

0.10

2300

0.25

Tejas metalicas: En cubiertas 0.15-0.16 2700-2800 0.25 En enchapes 0.10 2700-2800 0.25 Tejas de cerámica y concreto

10-15

0.12

1400-2100

0.26-0.28

Tabla No. 3 ABSORCION Y EMISIVIDAD DE MATERIALES OPACOS Material

Absorción (a) (%)

Emisividad (e)

(%) Aluminio (lamina): nueva, brillante 5-10 5-10 oxidada 15 12 con película de polvo 10-20 40-55 Aluminio (en pintura) 40-55 40-55 Aluminio (en tejas): nuevas, brillantes 20-40 5-10 oxidadas 30-50 20-30 Tejas de asbesto cemento: nuevas 35-60 85-95 muy usadas 60-85 85-95 Asfalto 80-90 85-95 Cerámica (arcilla quemada): crema 30-50 85-95 amarilla 50-70 85-95 roja 65-80 85-95 Hormigón: claro 45-70 85-95 oscuro 90 90 Cobre: pulido 30-50 2-5 dull 60 20 oxidado 90 80 Tierra 80 90 Acero galvanizado: nuevo, brillante 20-55 20-30 Oxidado 30-70 20-40 Pintura:

blanca 20-30 85-95 gris clara 30-40 90 verde clara 40-60 90 verde medio, amarillo y naranja 55 90 marrón clara/gris oscura/verde/roja 65-70 90 marrón oscuro/rojo oscuro/verde oscuro

80-90

90

negra 85-95 85-95 Piedra: mármol blanco 45-50 85-95 piedra caliza 60 85-95 amarilla 50-70 85-95 roja 65-80 85-95 Pintura de cal: nueva 10-15 85-90 envejecida 20-30 85-90 Madera (pino) 60 90-95

Fuentes: Evans (1980), Givoni (1976), Hooper (1975), Gut (1993), IBS (1987), Koenigsberger (1974), Sandin (1990).