Sistema Prefabricado de Ecofachada Termoaislante para el Mejoramiento de Viviendas Sociales Construidas en la Zona Árida Centro Oeste de Argentina

2.1.1. Caracterización Climática de la Región donde se localiza el estudio:

El estudio se desarrolla en la Ciudad de San Juan - Argentina, pero es aplicable a VDSC de otros departamentos con gran número de habitantes del Gran San Juan y de la Zona Árida de Cuyo. Como se menciona y recomienda en la Norma IRAM 11603 de Acondicionamiento Térmico de Edificios, el Clima del lugar se caracteriza por tener grandes amplitudes térmicas en el que es aconsejable el uso de estrategias bioclimáticas, tal como las viviendas agrupadas y de todos los elementos y/o recursos que tiendan al mejoramiento de la inercia térmica.

La clasificación bioambiental que le corresponde a la región donde se localiza el estudio, es la Zona III: Templada Cálida. En este sentido la Norma se refiere en forma específica, a que por tratarse de una zona bioclimática templada, las exigencias deben ser menores tanto en la faz de la orientación como en las necesidades de ventilación. Y explicita que para las edificaciones con orientaciones desfavorables, se aconseja prever protecciones solares adecuadas (9(9) Azqueta P. (2017). Manual Práctico del Aislamiento Térmico. AAPE Asociación Argentina del Poliestireno Expandido para una Construcción Sustentable. Cuarta Parte 04, Soluciones constructivas para paredes y techos. Segunda Edición. Argentina.
).

En esta región, los veranos son relativamente calurosos y presentan temperaturas medias que oscilan entre 20°C y 26°C, con máximas medias que superan los 30°C, sólo en la faja de extensión Este-Oeste. El invierno no es muy frío y presenta valores medios de temperatura entre 8°C y 12°C, y valores mínimos que rara vez son menores que 0°C. Las presiones parciales de vapor de agua son bajas durante todo el año, con valores máximos en verano que no superan en promedio, los 1870 Pa (14 mm Hg).

En general, en esta Zona árido-seca y dentro de la Subzona IIIa, que cuenta con amplitudes térmicas mayores a 14°C, debido a las situaciones límites que se presentan, en las que se tienen inviernos relativamente benignos con veranos no muy calurosos, es necesaria la racionalización de los recursos, entre ellos el agua (10(10) IRAM 11603 (1996). Acondicionamiento Térmico de Edificios. Clasificación bioambiental de la Argentina, p.1- 47. , Argentina.
).

Los vientos predominantes frescos y algo cargados de humedad son los provenientes del cuadrante sureste. El zonda es un viento fuerte, cálido y muy seco asociado a una masa de aire que al descender por las laderas orientales de la Cordillera de los Andes se comprime adiabáticamente. Este evento ocurre con mayor frecuencia en las temporadas de invierno y primavera, principalmente en las provincias de Mendoza y San Juan, en Argentina. El viento Zonda es un viento, local seco y cálido que frecuentemente sopla y lleva mucha suciedad sobre las estribaciones orientales de la Cordillera de los Andes. Este viento nace en el anticiclón del océano Pacífico, por lo tanto inicia siendo un viento frío y húmedo. Luego es desviado por el ciclón de la Precordillera e ingresa en la zona de mayores alturas, y choca con estas generando lluvias orográficas y nevadas en la cima de la cordillera. Luego ingresa en forma seca, y baja rozando la cordillera aumentando su temperatura hasta 40 °C, por el recalentamiento adiabático o efecto Föehn.

En regiones pobladas, se produce una serie de daños en función de la intensidad de las ráfagas del viento con categorías de moderado inferiores a 65 km/h, severo de entre 65 y 90 km/h, muy severo y con ráfagas que van desde los 90 hasta los 120 km/h y extremadamente severo o catastrófico donde las ráfagas ya superan los 120 km/h (11(11) Otero F., Norte F. A. (2015). Métodos de Clasificación y Climatología del Viento Zonda en San Juan. Asociación Argentina de Geofísicos y Geodestas. Instituto Argentino de Nivología, Glaciología y Ciencias Ambientales, Centro Regional de Investigaciones Científicas y Técnicas/CONICET. GEOACTA 40(1): pp.45-53. ISSN 1852-7744. Mendoza, Argentina.
).

El fuerte viento, sequedad, altas temperaturas y la fricción entre partículas de polvo favorecen en forma directa a la generación y propagación de incendios en viviendas, causa daños a la interface o áreas con pastos secos y de cultivos. Y además de generar la evacuación de personas y animales, provoca voladura de techos, caída de árboles y ramas. En forma indirecta origina daños en instalaciones de gas y líneas eléctricas de alta tensión, con interrupción de los sistemas de comunicación (12(12) Norte, Federico Augusto 1988. Características del viento zonda en la región de Cuyo Tesis presentada para obtener el grado de Doctor en Ciencias Meteorológicas de la Universidad de Buenos Aires da en la región de Cuyo. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. http://digital.bl.fcen.uba.ar/Download/Tesis/Tesis_2131_Norte.pdf. Argentina.
).

La Dirección Provincial de Defensa Civil de Mendoza hizo público en un Diario local, el parte numérico con 1045 novedades que se produjeron con el paso del Viento Zonda durante el pasado 21 de julio de 2019 y que también influyera con similares daños a San Juan, Tabla 1 (13(13) Valle R. (2019). El Zonda desnudo la fragilidad del arbolado público de la provincia. Diario de Mendoza On line. 24 de julio de 2019. http://www.mdzol.com. Mendoza, Argentina.
). Cabe destacar que el impacto ambiental que se originara en el entorno incluyo incendios que afectaron a varias viviendas en esta zona de Cuyo. Por ello resulta de interés para este trabajo, utilizar materiales en las fachadas que no favorezcan la propagación del fuego, debido a que la interface de esta zona árida es vulnerable a la ignición (14(14) Pau Costa Foundation, (2014). Los incendios forestales en Interfaz urbana: Hacia la integración del riesgo en la planificación del territorio. Conclusiones de las Jornadas Euromediterránea en Incendios Forestales. Barcelona, España.
).

2.1.2. Descripción tipológica y tecnológica de las envolventes verticales de VDSC:

El caso adoptado como característico, que se analiza en este trabajo como representativo de las VDSC es el del Barrio Aramburu. Comenzó a habitarse en 1983 y tiene 1.256 viviendas entre casas y departamentos. Según la división Agrimensura del IPV, el Aramburu cuenta con una extensión de 45 ha, viven más de 7 mil personas, y es uno de los barrios sanjuaninos con mayor cantidad de unidades habitacionales construidas. Cabe destacar que sus fachadas opacas verticales, fueron construidas con bloques de hormigón sin revoques por el exterior.

La superficie de este conjunto no fue proyectado para ser autoconstruido, pero dada las características porosas que ofrecen las fachadas, los usuarios de los departamentos utilizan cualquier oportunidad de aprovechamiento de espacios semiexteriores, para realizar crecimientos progresivos no proyectados, dentro de su estructura y/o en algunos casos fuera de ella (15(15) Fiscarelli D. M., Cortina, K. A. (2013). La adaptabilidad como variable de la calidad de la vivienda. Vivienda, adaptabilidad y criterios proyectuales. 1º Congreso Patología, control de calidad y rehabilitación en la construcción, p.12-17. Argentina.
).

En este Barrio, claramente se observa como la evolución y adaptación en el tiempo de la vivienda es un proceso indisoluble de la vida cotidiana y el ¨ciclo de vida vital¨. Esta evolución incluye a la necesidad de identificación que sienten sus habitantes, de personalizar el ambiente en el que viven (16(16) Gelabert Abreu D. y González Couret D. (2013). Vivienda progresiva y flexible. Aprendiendo del repertorio. Arquitectura y Urbanismo, Vol.34, Nº2. p. 48-63, ISSN 1815-589. La Habana, Cuba.
).

Es decir que la estructura de la vivienda o departamento existente es un “soporte”, qué igualmente evoluciona o crece según las necesidades espaciales familiares, y se muestra como que nunca está completamente terminada, a pesar de no ser un conjunto con genética adaptable.

Esta situación puede observarse en la Figura 1 a, donde se muestra como los usuarios de los bloques de departamentos en altura han avanzado sobre planta baja y balcones, incluyendo ampliaciones con ladrillón visto.

Al realizar estas modificaciones sin planificación, sobre espacios exteriores de accesos o zonas de servicios y zonas de expansión, no solo han eliminado los espacios de transición exterior - interior proyectados, sino que han anulado la posibilidad de aprovechar la necesaria ventilación cruzada natural que poseían los ambientes interiores. Y eliminado tanto el control de la radiación solar a través de los aleros, como la exposición de los usuarios a la ventilación natural, durante el periodo estival.

También se visualiza en las Figuras 1a, 1b y 1c, como han pintado con diferentes colores el conjunto, e instalado en forma arbitraria diferentes equipos de aire acondicionado, afectando su imagen estética.

Por otro lado en Figura 1 d y 1e, se observa como los usuarios de viviendas en planta baja, revisten las fachadas opacas verticales solo por razones estéticas, sin considerar la carga térmica que influye en sus interiores, debido a la alta absorción solar, respecto del color de la superficie y características del acabado del revestimiento cerámico, aplicado sobre la fachada original.

2.3.1. Análisis de costos energéticos de producción y conductividad térmica de los aislantes utilizados:

Existe una diversidad de materiales locales, ya sea naturales o de reciclados, que son aptos para mejorar la envolvente de los edificios, con la consecuente mejora del confort y la reducción de la necesidad de consumo de combustibles.

La PP si bien tiene características parecidas a la piedra pómez, también llamada pumita, jal, liparita, posee una composición mineralógica diferente, ya que es una roca ígnea volcánica vítrea de baja densidad (300 kg/m³), muy porosa de color ocre claro o gris que contiene un alto porcentaje de cuarzo, feldespato, calcita y mica (biotita).

Entre otros muchos usos, dentro de la construcción se emplea tal como ha sido mencionado anteriormente para mejorar las condiciones térmicas y acústicas, y también triturada destinada a la fabricación de morteros u hormigones de áridos ligeros.

El coste energético de producción en los procesos de extracción de materia prima, fabricación, transformación y transporte, que presenta un material aislante de origen volcánico como la Perlita o la PP, son asumidos como bajos (7(7) Buigues Nollens A. (2013). Aprovechamiento de la Pomeca Puzolánica en Envolventes. : Desarrollo Experimental de un Panel Termoaislante para Viviendas en Zonas Áridas en Argentina. Revista Hábitat Sustentable, Vol. 3 Nº1, pp.62-71. ISSN: 0719-0700. Universidad del Bio Bio, Chile.
). Este coste, varía de 5 a 20 MJ/Kg y posee una conductividad térmica de 0,04 a 0,06 W/m°K. Mientras que el Poliestireno Expandido según su densidad posee un de 0,029 a 0,053 W/m°K, y posee altos consumos energéticos durante la fabricación que varían de 75 a 150 MJ/Kg (19(19) IVE (2011). Productos y Materiales. Propiedades de Aislantes Térmicos para Rehabilitación Energética. Cuadernos de Rehabilitación. Instituto Valenciano de la Edificación. España, pp.3.
).

2.3.2. Estudio sobre la disposición del aislamiento térmico usado:

El elemento arquitectónico del cual dependen en mayor grado el confort y la eficiencia energética de las VDSC, son sus fachadas. Estas aparte de ser la cara estética de la construcción, las Normas mencionadas, permiten emplearlas como una herramienta funcional que contribuye a la sostenibilidad y funcionalidad de estas edificaciones.

A través de diversos elementos arquitectónicos es posible aprovechar o controlar la radiación solar, con un perfecto equilibrio en la climatización interior, tanto en invierno como en verano (20(20) Olalla B. M. (2014). Fachadas Sostenibles. Proyecto de graduación presentado para la carrera de Ingeniería Civil de la Escuela Politécnica, como parte de los requisitos necesarios para la obtención del título de Ingeniería Civil., Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil, 2014.
). Debido a que por lo general en San Juan y la Zona Árida de Cuyo, las VDSC no presentan aislamientos en la envolvente vertical externa o de fachada, por ello el calor tiende a “escaparse” a las zonas más frías para así igualar su temperatura. Esto provoca desplazamientos del aire caliente del interior al exterior en invierno y a la inversa en verano.

Esta deficiencia desde el punto de vista energético, necesita de un importante consumo destinado a la refrigeración o calefacción según la época del año, debido a que en la masa interna no se acumula o conserva la temperatura, ni se detiene su aumento.

Hay una clara diferencia entre la rehabilitación por el interior o por el exterior, y esta diferencia despende de la corrección de los puentes térmicos. De una forma general, por el interior se deben estudiar más a fondo ya que por el exterior, el sistema constructivo es continuo y resolvemos de una manera más sencilla estos puntos conflictivos.

Los puentes térmicos, tiene un papel importante en el balance energético de un edificio, en general, las pérdidas o ganancias térmicas por la fachada supone más del 30% en edificios poco aislados, y los puentes térmicos lineales pueden suponer más del 30% de la propia fachada (21(21) Maroto P. (2014). Mejora energética de la envolvente. Fachada ventilada o sin ventilar. Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula. Knauf GmbH. España.
).

Esto determina el comportamiento energético de las VDSC (22(22) IRAM 11605 (2002). Acondicionamiento térmico de edificios. Condiciones de habitabilidad en edificios. Valores máximos de transmitancia térmica en cerramientos opacos. Puentes térmicos. Revisión de la norma IRAM 11605:1996, p.8-20, Argentina.
), debido a que se produce una interacción térmica permanente a través de la envolvente con el exterior, intercambiando calor con el entorno (23(23) Pascual Román N. (2014). La Eficiencia Energética en el Uso de la Vivienda. Factores Incidentes. Trabajo de Fin de Master Universidad Politécnica de Valencia, p.40-62. España.
). Esta interacción térmica es la que es necesario limitar, disponiendo el aislamiento térmico por la cara externa (24(24) Berardi R. (2014). Reciclado Energético de la Envolvente de Vivienda Unifamiliar en La Plata, Argentina. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente AVERMA. Vol. 18, pp.05.29-05.38, 2014. ISBN 978-987-29873-0-5. Argentina.
).

2.3.3. Estudio de fachadas multicapas a nivel piloto:

Entre las alternativas prefabricadas estudiadas a nivel teórico del SPETS a la que se dirige esta propuesta, se encuentran las destinadas a las fachadas con alta carga térmica como Sistema termoaislante con Cámara de Aire transventilada exterior, identificado como Sector con Módulo Ventilado, Figuras 2 a y 2 b. Presenta una Estructura de Soporte que se vincula al muro base revocado con perlita. Posee una Capa Interna que contiene 50mm de PP como material de aislación con origen mineral regional, de origen volcánico que fue dispuesto a granel y en seco.

Y una Capa Externa que es expuesta a la carga térmica de la radiación solar. Esta Capa presenta una cámara de aire de 150mm con aberturas a nivel inferior y superior, cuyas hojas se abren o cierran facilitando la ventilación en verano e impidiendo el paso del aire en invierno, Figuras 2 c y 2 d. Tanto la Capa Externa como la Interna y las aberturas móviles mencionadas, son de chapa metálica DD N°18.

El conjunto experimental alcanza un espesor total de 240mm, Figura 2 b. Esta alternativa fue estudiada con la PP, que si bien Verifica para verano, No Verifica su utilización para invierno, debido a que la transmitancia térmica U del muro, alcanza 1,00W/m²°K, superior al U max. adm. de 0,87 W/m² °K.

Por ello se optó por la utilización de un tamizado de la PP, realizado con pasos de zarandas de 0,5 y 1cm (PPZ), resultando así la posibilidad de alcanzar el valor U deseado para el muro, Figura 3 g. Debido a que presenta una mayor granulometría con gran cantidad de cavernas o huecos y microcélulas cerradas o vacías, Figura 3 h. Este material contiene un alto porcentaje de mica (biotita), con una resistencia térmica similar a la Perlita Expandida suelta. Para una densidad entre 30-130kg/m³, el valor de la PPZ, alcanza una conductividad térmica λ de 0.054/m°K (25(25) Buigues Nollens A. y Pogrebinsky Mazarico L. (2014). Paneles Termoaislantes con Ecodiseño para Viviendas Sociales de Zonas Áridas. 1º Congreso Latinoamericano de Ecodiseño - Ecodal 2014. Vol.1, Nº1. ISSN 0719-577X. Santiago, Chile.
).

2.4.1. El SPETS y su adaptación a fachadas existentes:

Para facilitar la adaptabilidad por deficiencias constructivas entre el SPETS y la construcción existente, o diferencias de verticalidad entre estructuras de hormigón armado y muros de bloques de hormigón, fue necesario realizar un mejoramiento de las fachadas del Laboratorio para ensayos de VSC.

Para ello se colocó como revestimiento un revoque húmedo exterior, en un espesor de 35mm. Compuesto por un complejo que incluye a la perlita como aislante térmico de origen volcánico. Este, es otro conjunto para ensayos comparativos experimentales identificado como Sector Sin Módulo y sin ventilar, que fue expuesto en forma simultánea al ambiente exterior, Figura 2 b.

Los materiales aislantes seleccionados son de una materia prima que va de muy poco elaborada a elaborada, y se los ha adoptado por ser derivados de la naturaleza. En el caso de la PP que proviene de las erupciones volcánicas, compuesto principalmente de aluminosilicatos, como resultado de la formación de materiales con estructura desordenada o vítrea con minerales pobremente cristalinos, es enfriado bruscamente en forma natural.

También la perlita es un material aislante con origen volcánico pero con mayor elaboración debido a que es sometido a un proceso industrial mayor antes de ser utilizado en la construcción. Ambos materiales termoaislantes se encuentran exentos de elementos nocivos, facilitan los intercambios de humedad entre la vivienda y la atmósfera. En el caso de la PPZ a granel incluida en el SPETS, es muy poco elaborada y se obtuvo cerca de la obra.

En estas alternativas se estudiaron además del aislante térmico, la aplicación de superficies protectoras del aislante y la seguridad sísmorresistente (26(26) INPRES (2013). Zonificación Sísmica, Nuevo Reglamento INPRES CIRSOC 2013. Reglamento Argentino para Construcciones Sismorresistentes. Instituto Nacional de Prevención Sísmica Secretaría de Obras Públicas. Ministerio de Planificación Federal, Inversión Pública y Servicios. Parte 1, p.13-45. Argentina.
).

2.4.2. Fabricación de módulos considerando el empleo de procesos de obra controlados con mínima producción de residuos:

Tanto el diseño como la fabricación de las partes del SPETS, consideran la mínima producción de residuos. Por ello el punto de partida del diseño, preserva las dimensiones originales de cada uno de los componentes, Figura 3 a.

La fabricación incluye la adopción de un racional sistema constructivo en seco, que contempla durante las etapas de prepintado, agujereado, ensamble y fijaciones para vinculación de las chapas continuas de las Capas, Externa (Superior) e Interna (Superior e Inferior) al soporte estructural, Figuras 3 b, 3 c y 3 d.

Tal como se mencionara en el apartado 2.3.3, los módulos de prueba al aire libre fueron construidos con componentes estructurales metálicos livianos, con la concurrencia de materiales convencionales. Y también con la participación de materiales no convencionales derivados de la naturaleza, como la PP mencionada.

Con este aislante que fuera estudiado teóricamente según las necesidades térmicas acordes a la zona árida, fue probado a través de ensayos en Laboratorio con el objetivo de analizar durante el rellenado de Capas, su aplicabilidad junto a la higiene, seguridad y producción de residuos. Durante esta etapa industrial y a modo de Ensayo Inicial, se aplicó en seco la PP suelta a granel, tal como viene de la cantera, Figura 3 e .

Requirió la utilización de reglas para la distribución, compactación y barbijos para la protección de los operarios contra el polvo. Y para controlar la voladura de los minerales que contiene, se colocó entre la chapa y el marco estructural una junta selladora estanca, Figura 3 e.

Esta situación llevo en un Ensayo Posterior, a someter a la PP a un proceso de tamizado para la reducción de la presencia de tierra volcánica compuesta por el feldespato y la calcita. Así se disminuyó su densidad junto a la capacidad puzolánica, para aumentar la capacidad como aislante térmico (PPZ), Figura 3 f.

La prueba con la colocación o rellenado de la Capa Interna con la PPZ, luego de ser zarandeada con el tamizado de 1cm, Figura 3 f y g, demostró que mejora notablemente su aplicabilidad, debido a que evita la necesidad de protección contra el polvo y juntas en el sistema envolvente, disminuye el peso en casi 50%, facilita la distribución, compactación y relleno en una sola vez, Figura 3 i.

Y el Ensamblado de Componentes no requiere de sellado de bordes. Lo cual contribuye por un lado a alivianar su traslado y disminuir la sobrecarga de la estructura antisísmica principal de las VDSC, Figura 3 i.

Luego del armado integral del sistema, se realizaron las etapas de limpieza, prepintado y pintado final, considerando en todo el proceso la menor producción de sobrantes y desperdicios encaminado a la reutilización de cada uno de los materiales al final de su ciclo de vida, Figuras 3 j, 3 k y 3 l.

Posteriormente se continuó con la fijación del SPETS, a la fachada nivelada con el revoque aislante. El sistema de fijación que fuera ensayado, atraviesa el mencionado revoque y finaliza anclado sobre hormigón endurecido, Figura 3 m. Fue realizado para resistir las enormes fuerzas generadas por vientos muy severos.

La nueva envolvente tiene que resistir las fuerzas laterales directa de estos viento y la succión que este es capaz de provocar sobre el sistema transventilado, junto a las fuerzas de elevación que a veces logran vencer la gravedad.

Este sistema se encuentra compuesto por anclajes de expansión N°10, que se insertan en orificios pre-perforados. Luego se expanden ajustando una tuerca de torque controlado que impide la deformación de la superficie estructural del SPETS, además de facilitar el posterior desarme y reutilización de sus partes.

Así estos anclajes, transfieren la carga de tracción del bulón al hormigón por presiones o fuerzas de expansión mediante fricción o acción de palanca contra la pared de la perforación.