Carlos Rey EAD 361201 Tarea 9
Título | Carlos Rey EAD 361201 Tarea 9 |
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Asignatura | Metodología de la Investigación 2020 S1 |
Del Curso | Metodología de la Investigación 2020 S1 |
Carreras | Arquitectura |
Nº | 9 |
Alumno(s) | Carlos Rey |
La construcción en tierra para la eficiencia energética en climas fríos
El caso de Zhaotong: como la construcción en Tapial mejora las condiciones energéticas de la casa y se adapta al territorio utilizando materialidad local
Introducción
Una de las mayores problemáticas que el ser humano está enfrentando durante el siglo XXI es el cambio climático, en parte a consecuencia del calentamiento global, y este en parte a consecuencia de la actividad humana. Desde hace muchos años que como civilización nos hemos esforzado en explotar recursos del planeta para obtener energía y así llevar a cabo actividades productivas, mantener ciudades en funcionamiento, y tecnologizar nuestras viviendas. Sin embargo producir energía masivamente ha traído costos no solo climáticos y ambientales, también sociales y culturas con desplazamientos, guerras, etc. Hoy nos urge, además de encontrar nuevas fuentes de energía menos impactantes, también reducir nuestro consumo. En ese sentido, reducir el impacto energético y ambiental de las viviendas se hace necesario. Existen diversas técnicas constructivas que ayudan a reducir el consumo de energía, como la iluminación, las envolventes, entre muchas otras. Chile, por ser un país con una gran diversidad de climas, es necesario generar una adaptación por zonas. Hay técnicas constructivas que sirven a climas fríos, lluviosos, otras a climas áridos o calurosos. También se debe considerar el impacto energético que tiene el proceso constructivo en sí, ya que se deben traer materiales a la obra, y mientras más lejos estos estén, más grande es el impacto que tiene el transporte. Es importante entender la construcción de viviendas como un proceso integral, desde donde se consigue el material, hasta la forma que tendrá el habitar, en consecuencia con el entorno, y es por esto que la preocupación por el impacto energético, climático, biológico, debe estar incorporado en los procesos constructivos.
El tapial
Existe una técnica constructiva milenaria llamada Tapial en latinoamérica (Rammed Earth en inglés), que puede traer grandes ventajas energéticas a las viviendas, esto porque su principal material es la tierra, que tiene gran inercia térmica, además se utiliza el material que está presente en la obra o cercano a ella, aminorando costos económicos y ecológicos. El tapial consiste en un muro de tierra encofrado y apisonada. Ha sido utilizado en todo el mundo, con énfasis en china, y en climas secos o desérticos.
Problema de investigación
La aldea china de Guangming, en Zhaotong, se vio afectada por un terremoto en el año 2014. Luego de eso hubo problemas de abastecimiento de materiales para la reconstrucción, además de una fuerte desconfianza por parte de la población hacia las construcciones hechas con muros de tapial, que era la técnica constructiva dominante, y cuyas estructuras se vieron gravemente dañadas tras el sismo. Arquitectos de la Universidad China de Hong Kong y la Universidad de Kunming (The Chinese University of Hong Kong & Kunming University of Science and Technology) llevaron a cabo un proyecto de vivienda prototipo para un matrimonio adulto mayor habitantes de la aldea. Lograron levantar una vivienda con sus muros completos de tapial, con mayor resistencia a sismos, y una habitabilidad mejorada. En Chile, los materiales de construcción por lo general vienen de lejos y son costosos, como el hormigón, o generan un alto impacto ambiental como es el caso de la explotación para obtener madera de construcción, que es altamente utilizada en el sur del país. Además se requieren materiales que se comporten bien ante sismos, por lo que el adobe ha ido quedando en desuso. En el caso de la aldea de Guangming, la vivienda hecha en Tapial, trae cualidades climáticas y constructivas que podrían ser aplicables en viviendas chilenas, en especial en climas frío-lluviosos.
Pregunta de Investigación
¿Trae la técnica del muro Tapial, en el caso de Guangming, propiedades que mejoran el confort higrotérmico dentro de la vivienda?
Hipótesis
El uso del muro tapial en viviendas tiene propiedades térmicas y constructivas que traen mejoras a la eficiencia energética y al confort higrotérmico interior, lo que puede reducir el consumo energético en el caso de una vivienda en Guangming, China.
Objetivo General
Catalogar el muro de Tapial como una técnica constructiva viable en el sentido de la eficiencia energética y la sustentabilidad, para viviendas en territorios con climas fríos y lluviosos
Objetivos específicos
- Evaluar el comportamiento energético de los muros de la vivienda de Guangming en distintos escenarios climáticos.
- Obtener un estándar comparativo dentro de la oferta de materialidad y técnicas constructivas más utilizadas en el mercado, respecto a su eficiencia energética y beneficios constructivos.
- Revelar qué tan efectiva puede ser la construcción en tapial en otros tipos de climas distintos a la región de Zhaotong en China.
- Proponer un criterio de construcción con Tapial sustentable y regular para ser utilizado en mayor escala para viviendas.
Metodología
Para poder llegar a una comprobación o refutación de la hipótesis, existen herramientas que nos entregan áreas de estudio como la habitabilidad y el confort térmico. Se espera cuantificar a través de las planimetrías la cantidad de materia y espacio que conforman la vivienda. Con esto me refiero a los grosores y áreas de los muros, y la cantidad de aire interior. También se requieren datos climáticos, para evaluar las variaciones de temperatura, radiación solar, vientos y precipitaciones. Así se puede contar con datos concretos y precisos que permiten realizar el análisis propuesto, evaluando factores como la transmitancia térmica, la inercia térmica, y el asoleamiento, en fechas precisas, datos que sería posible analizar, para aplicar la metodología a otros casos y comparar, y obtener un estándar que permita saber en qué otros tipos de climas sería posible utilizar esta técnica con éxito.
- Herramienta Metodológica A: Evaluación de transmitancia térmica en muros y ventanas
- Herramienta Metodológica B: Evaluación de confort térmico total al interior de la vivienda
- Herramienta Metodológica C: Recopilación de opiniones cualitativas a personas habitantes de viviendas construidas en Tapial respecto a su percepción en calidad de usuario en cuanto a beneficios y desventajas de habitar un interior construido en tapial
- Herramienta Metodológica D: Comparar el caso de Guangming con otros casos documentados para obtener rangos comparativos físicos, como en grosores de muros, alturas, volúmenes, y diferencias climáticas.
Desarrollo
Estado del arte
El caso de Guangming
El caso de una vivienda en Guangming surge de la necesidad de reconstruir una villa en la provincia de Zhaotong en China, debido al terremoto que afectó esa zona en 2014. La mayoría de los habitantes optaron por construir con ladrillo y concreto debido a que las construcciones con técnicas que utilizaban tierra de forma muy tradicional sucumbieron fácilmente ante el sismo. La vivienda experimental tipo que desarrollaron y construyeron investigadores de las universidades de Hong-Kong y Kungming no sólo buscaba aprovechar la materialidad local, sino potenciar para que sea sustentable y antisísmica, lo cual hace que ya sea llamativo al adoptar cualidades que hoy tiene el hormigón armado y la madera.
“Para mejorar el rendimiento sísmico, se mezclaron componentes como arcilla, arena pasto, etc. Se adhirieron barras de acero y cinturones de concreto a los muros para conservar la integridad estructural y evitar fracturas verticales. Los cinturones de concreto se escondieron dentro del muro para conservar una fachad de tierra integrada.”(Archdaily, 2017)[1].
Se reconoce además que la construcción que busca alto grado de aislación térmica también debe ir acompañada de elementos como la cubierta o ventanas que también deben ser aislados. “Con un terreno limitado, el diseño se integra al habitar interior y los espacios semi-abiertos, para otorgarle un ambiente artístico y confortable a una pareja de ancianos. Se incorporan ventanas de doble panel y techos aislantes para mejorar el comportamiento térmico del edificio.”(MINVU 2006)[2]. Entonces la vivienda con sus cerramientos hechos en tapial, según el estudio empírico puede traer cualidades energéticas que aumentan el estado de confort térmico interior, sin embargo esta investigación en particular lo que busca son los datos numéricos que permitan comparar, para evaluar necesidad de grosores, o dependiendo del clima, la necesidad de una aislación térmica adicional, o un recubrimiento contra lluvia, humedad, etc.
El confort térmico dentro de la vivienda
El confort térmico corresponde a un rango de condiciones climáticas que permiten a una persona estar en un estado de bienestar en un lugar determinado, ya sea interior o exterior. Dentro de los factores que determinan el confort, están la temperatura, humedad, velocidad del aire, cambio del aire, etc. En el año 1994 el Ministerio de Vivienda y Urbanismo incorporó el programa de reglamentación térmica, creando un parámetro nuevo de construcción, ya que no sólo se busca el dar techo, sino también ciertas condiciones mínimas. El manual de reglamentación térmica en su introducción nos dice:
“Uno de los propósitos históricos fundamentales de la construcción, particularmente de las viviendas, es proveer de adecuadas, estables y permanentes condiciones de habitabilidad a sus habitantes, con prioridad en el confort higrotérmico, requerimiento básico e imprescindible para la actividad humana.”(MINVU 2006)[3].
Cabe destacar que el confort térmico interior se puede lograr de diversas formas, entre ellas utilizando mecanismos que consumen energía, como por ejemplo calefactores, o utilizando estrategias pasivas, que utilizan las condiciones naturales del territorio para generar confort térmico interior. Actualmente no sólo se busca obtener confort térmico interior de cualquier forma, sino utilizando la menor cantidad de energía proveniente de fuentes no renovables.
“Hoy es necesario no sólo alcanzar los parámetros de confort requeridos, sino lograrlo con el menor uso de energía no renovable posible, aprovechando la energía solar en sus diversas fases y/o utilizando energía renovable si es necesario. En esta perspectiva, desde hace más de treinta años, todos los países desarrollados han establecido estrictas y progresivas regulaciones sobre la demanda de energía de las edificaciones, como también sobre el comportamiento de los componentes de la envolvente de las viviendas y edificios, la calidad del aire interior, la eficiencia de los equipos de calefacción, etc. llevándose hoy a la certificación obligatoria respecto de la demanda de energía máxima de las edificaciones -expresada en kWh/m2 año- incorporando un lenguaje relevante en términos técnicos y además manejable y útil para toda la población.”(MINVU 2006)[4].
Con el paradigma de reglamentación y los parámetros que se plantean en el manual de reglamentación térmica de Chile, es posible evaluar el comportamiento energético de un muro. Según las zonas climáticas, el manual nos dice qué parámetros debe cumplir el interior de la vivienda para alcanzar el confort térmico. Luego se evalúan los materiales según su especificación.
Para el caso del tapial, al ser un método constructivo no tradicional, no se considera sus niveles de transmitancia o inercia térmica en los manuales de reglamentación ni en los manuales de la Cámara Chilena de la construcción.
Conceptos necesarios para la evaluación energética
Los valores principales que se utilizan son transmitancia térmica (Valor U=W/m2K) y Resistencia térmica (Valor R=m2K/W) Siendo m2 la superficie, W watts, y K grados Kelvin estos valores se obtienen de la ecuación que utiliza la conductividad térmica (λ) propia del material, el espesor del material (e)
El manual de reglamentación térmica define los valores U y R que se deben tener como mínimos para cada zona térmica por región. Este es un estándar mínimo para la construcción de viviendas. Para obtener el valor final se suman los valores de toda la envolvente, lo que incluye cubierta, muros, ventanas y puertas como base. De acuerdo a esos requerimientos se evalúan las envolventes, sus materiales, y el nivel de aislación que deben tener.
Estos parámetros otorgados por el ministerio de vivienda y urbanismo, sirven para comenzar con una base teórica para proceder con el cálculo que corresponde a las soluciones que se quieren estudiar en torno al tapial.
Para evaluar la transmitancia o resistencia térmica, se requiere preparar una solución, lo que en la práctica se refiere a una mezcla. En el caso de Guangming, utilizaron arcilla, arena, tierra del lugar y pasto. Esta mezcla define la densidad del muro, y por ende su valor de transmitancia térmica, por lo tanto para cada tipo de mezcla específica se requiere obtener su densidad, y los valores de conductividad. Es por esto que para propósitos de una investigación teórica como está, es recomendable guiarse por edificios ya construidos, o recetas de mezclas que ya se conozcan sus valores respectivos, de otra forma no se obtendrían valores confiables en los resultados.
En la tabla comparativa se puede obtener una referencia en valores comparativos entre el tapial y otras técnicas constructivas como el hormigón. Se observan a simple vista ventajas en la conductividad térmica y las emisiones de carbono. No así en cuanto a la aislación acústica. Nótese que se utiliza una densidad de muro estándar para el tapial, que puede variar en cómo se realiza la mezcla y la composición de la tierra.
Antecedentes Históricos
La técnica constructiva llamada Tapial existe desde tiempos anteriores a lo que la historia abarca, habiendo construcciones aún existentes de tiempos remotos, en distintas zonas del planeta. Uno de los países con casos históricos más relevantes es China. También se encuentran casos más recientes pero igualmente valiosos en Europa, donde la técnica se comienza a desarrollar con variantes, como el adobe, el adobillo, o el COB, que consiste en construir la estructura en una sola pieza de barro, teniendo de resultado una forma más bien escultórica, no menos habitable que cualquier otra construcción, sin embargo casi imposible de replicar.
Urbano Tejeda Schmidt, Ingeniero Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería del Perú, ha realizado numerosas investigaciones en torno a las técnicas de construcción en tierra. Sobre el contexto histórico del uso del tapial señala: “El Tapial es muy antiguo, se estima que su uso primitivo se remonta a 5000 años a.C. en Asiria donde se halló cimientos apisonados de tierra. La Muralla China y las pirámides de Teotihuacán están hechas de tierra apisonada recubierta de piedras, aunque no constituyen tapiales tal como los conocemos en la actualidad. En general el uso de la tierra compactada es, a nivel mundial, muy empleado hasta nuestros días. Es conocido que la edificación con tierra en el Perú comenzó en la costa en épocas preincaicas; la construcción en la sierra era predominantemente de piedra. La construcción con tierra fue objeto de cambios profundos en su arquitectura con la llegada del dominio español y también su empleo se adoptó en la sierra peruana. Se estima que en el Perú se comienza a construir con Tapial entre el 800 y 1200 d.C., en el valle del Rímac donde se encuentra Cajamarquilla, asentamiento de influencia Huari (F.M. Monzón, 1984).”(Schmidt, U. T., García, A. M., & Dávila, D. T. 2016)[5].
El tapial en la región Andina
Se entiende que históricamente el Tapial también es una técnica constructiva endémica de América, no como se utiliza hoy pero si hay antecedentes que existe gran cantidad de viviendas así construidas en el Perú: “En el Perú existen, de acuerdo a datos censales del año 2007 suministrados por el INEI, 2 229 715 viviendas con paredes de tierra, lo que representa el 34,8% del total; sin embargo, si excluimos a Lima Metropolitana, la cantidad de viviendas de tierra llegaría al 47,8%, lo que nos indica la importante presencia de viviendas de este material, las que albergan a más de 11 millones de personas. Si tenemos en cuenta además que en 1999 vivían en viviendas de tierra 9 millones de habitantes, corroboramos que el número de usuarios de este tipo de viviendas continúa creciendo, aunque los porcentajes estadísticos disminuyan.”(Schmidt, U. T., García, A. M., & Dávila, D. T. 2016)[6].
Esto nos deja información de la importancia sostenida en el tiempo que han tenido las construcciones en tapial, al menos en algunas regiones cálidas de América.
Cabe destacar que las investigaciones de Urbano Tejeda Schmidt se enfocan en las capacidades sísmicas de la construcción en Tapial, carácter sumamente importantes en las construcciones que se realizan tanto en Perú como en Chile, al ser ambos países territorios de alta actividad telúrica.
La elaboración de un muro tapial
En Diferentes casos documentados como ya ha sido mencionado varía la composición de la mezcla que se utiliza para realizar el muro tapial. Sin embargo, se puede observar que para garantizar un desempeño sísmico positivo, se requiere de técnicas adicionales. En el caso de Guangming, utilizaron cinturones de concreto horizontales en la vivienda, para evitar la fracturación en zonas puntuales. En el caso del Kräuterzentrum Ricola en Suiza, una bodega para procesar hierbas, el edificio estructuralmente se sostiene en columnas de hormigón, y el cerramiento está hecho en tapial. De igual forma, hay un proceso en común para la fabricación del tapial, que consiste en el encofrado y el apisonado. Lo más común es que estos pasos se realizan en la obra in situ, utilizando la tierra del lugar, y se arma el muro ahi mismo. Sin embargo en ciertos casos se ha optado por pre fabricar el muro en algún lugar, ya sea por las condiciones que necesita este para su secado, o también por el acceso a tierra adecuada.
Urbano Tejeda nos explica en su investigación ciertos tipos de encofrado y su uso en el Perú: “Lo que caracteriza la construcción de tapiales es el empleo de moldes o encofrados, dentro de los cuales se vierte el suelo ya preparado para ser compactado. Durante el proceso de construcción deberá conservarse la verticalidad de los muros, a pesar de la existencia vibraciones, y mantener constantes las dimensiones de ancho del muro, a pesar de las presiones laterales que ejerce el material apisonado, por lo que es necesario que los encofrados sean preparados para que resistan dichos empujes y vibraciones. De otro lado, concluida la compactación de un tramo de muro, será necesario retirar y desplazar el encofrado a su nueva ubicación evitando que sea necesario invertir mucho tiempo en su aplomado. Existen, entre otros, 2 procedimientos constructivos muy difundidos, uno se basa en “guías” que permiten elevar el encofrado con facilidad y el otro es el caso de los encofrados “deslizantes” que se basa en construir sectores del muro que sirven de guía en la construcción de los demás muros (Célia Neves M. o., 2003). En el Perú es más común observar encofrados deslizantes ya que los pobladores no cuentan con muchos recursos para conseguir madera.” (Schmidt, U. T., García, A. M., & Dávila, D. T. 2016)[7].
Gráficos de la Arq. Graciela M. Viñuales.
Tapial en otras construcciones en el mundo
Caja de Tierra / Equipo de Arquitectura
En Asunción del Paraguay la oficina llamada Equipo de Arquitectura construyó en el año 2018 su estudio, al cual llamó caja de tierra. El diseño parte del precepto de materializar con presupuesto acotado. Es por esto que utilizan materiales reciclados y del lugar. “El ejercicio arranca con el proceso experimental de aprovechamiento y transformación de materiales disponibles y recuperados, como lo son la tierra, vidrios reciclados y madera de encofrado (...)” (Equipo de Arquitectura, 2018)[8].
Parte del proceso constructivo destaca cualidades estructurales que dan versatilidad al diseño “Los muros tapiales de suelo cemento de 0.30 aguantan el peso de la losa, que descansa sobre 20 cm del muro, sin ningún anclaje ni amarre, aprovechando las cualidades estructurales del material. Los 10 cm restantes quedan por fuera, para esconder la losa, delimitando el exterior solamente con los muros.”
Ricola Kräuterzentrum / Herzog & DeMeuron (Centro de Hierbas de Ricola)[9].
El diseño arquitectónico en tapial no sólo se acota a la vivienda, en este caso construido recientemente en Suiza, se realiza una industria, para el procesamiento de hierbas para la fabricación de los caramelos Ricola. Para este caso el motivo del uso de tapial responde a la necesidad de generar un clima ideal al interior de la fábrica para obtener un producto de la mayor calidad posible. El muro de tierra, ya sea adobe, tapial, adobillo, etc. poseen una masa térmica que aportan al control higrotérmico en el interior.
Uso en climas lluviosos y húmedos
Cómo es posible imaginarse, un muro de tierra apisonada puede ser sensible a factores climáticos que en contraste el muro de hormigón vence por sí sólo. Para lograr conservar el muro tapial ante los efectos del clima es necesario protegerlo. En una investigación de la Universidad Politécnica de Cataluña, se menciona al respecto: “Las construcciones de tierra deben protegerse frente a los efectos de la humedad del terreno, así como de las precipitaciones. La colocación de barreras anti-humedad en el detalle de las cimentaciones previene de la ascensión por capilaridad. La penetración de filtraciones debido a las precipitaciones está limitada por el grado de absorción y disipación de los paramentos.”(Bestraten, S., Hormías, E., & Altemir, A. 2011)[10].
En este sentido es necesario buscar grados de protección “En las épocas secas la humedad absorbida por los muros es devuelta a la atmósfera gracias a la capacidad transpirable de los muros de tierra. Aún así, generalmente el nivel de exposición de las paredes a las inclemencias se reduce mediante aleros y zócalos para disminuir su erosión. Otra opción es la protección directa mediante revestimientos permeables al vapor que reduzcan la exposición directa del muro. Sin embargo, no se recomienda la aplicación de revestimientos impermeables que afecten a la transpirabilidad del muro.” 10 (Bestraten, S., Hormías, E., & Altemir, A. 2011)[11].
Se entiende de esto que el muro tapial tiene una suerte de vida propia, debe respirar y transpirar, en un juego con la humedad.
En la fotografía se puede observar como los aleros y protecciones inferiores buscan resguardar el muro de lluvia y humedad.
La construcción en tierra, se plantea en los casos revisados, con una filosofía distinta de lo que significa alzar un muro, ya que busca utilizar material del lugar, pero a la vez traer la ventajas térmicas que se buscan comprobar, y convivir con el lugar, aunando color, y una relación armónica con el clima.
Referencias Bibliográficas
- ↑ "Post-Earthquake Reconstruction Project in Guangming Village / The Chinese University of Hong Kong & Kunming University of Science and Technology" 05 Jan 2017. ArchDaily. Accessed 2 Jun 2020. <https://www.archdaily.com/802855/post-earthquake-reconstruction-demonstration-project-of-guangming-village-the-chinese-university-of-hong-kong-and-kunming-university-of-science-and-technology/> ISSN 0719-8884
- ↑ MINVU, Instituto de la construcción, Chile (2006) Manual de Aplicación Reglamentación Térmica, Parte 1, 7. Obtenido de: http://admminvuv57.minvu.cl/opensite_20070417155724.aspx
- ↑ Ibid. p. 7.
- ↑ Ibid. p. 7.
- ↑ Schmidt, U. T., García, A. M., & Dávila, D. T. (2016). Uso del Tapial en la Construcción. p. 9.
- ↑ Ibid. p.13.
- ↑ Ibid. p. 24. Célia Neves, O. B. (2011). Técnicas de construcción con tierra. PROTERRA. Resumen: Es un compendio de las investigaciones, enseñanza y talleres impartidos por la Red Iberoamericana PROTERRA sobre las construcciones con tierra. Se obtuvo referencias para los antecedentes del tapial.
- ↑ "Caja de Tierra / Equipo de Arquitectura" [Earth Box / Equipo de Arquitectura] 25 jul 2018. Plataforma Arquitectura. Accedido el 18 May 2020. <https://www.plataformaarquitectura.cl/cl/898828/caja-de-tierra-equipo-de-arquitectura> ISSN 0719-8914
- ↑ "Ricola Kräuterzentrum / Herzog & de Meuron" [Ricola Kräuterzentrum / Herzog & de Meuron] 04 jun 2015. Plataforma Arquitectura. Accedido el 12 Jun 2020. <https://www.plataformaarquitectura.cl/cl/768016/ricola-krauterzentrum-herzog-and-de-meuron> ISSN 0719-8914
- ↑ Bestraten, S., Hormías, E., & Altemir, A. (2011). Construcción con tierra en el siglo XXI. Informes de La Construcción, 63(523), 5–20.
- ↑ Ibid. p.14.