161 Contribución del anclaje en el comportamiento

TOPICO VI. Otros pertinentes
CONTRIBUCIÓN DEL ANCLAJE EN EL COMPORTAMIENTO
TÉRMICO DE FACHADAS VENTILADAS
CONTRIBUTION OF ANCHORS IN THERMAL TRANSMISSION
OF RAIN SCREEN FAÇADES
Joaquín Fernández Madrid 1,a, Javier López Rivadulla 2,b, Patricia Alonso Alonso 3,c
1
Profesor Doctor, Departamento de Construcciones Arquitectónicas. Universidad de A Coruña
Escuela Técnica Superior de Arquitectura. Castro de Elviña s/n. 15172 – A Coruña (España)
2
Profesor. Departamento de Construcciones Arquitectónicas. Escuela Técnica Superior de
Arquitectura. Universidad de Alicante (España)
3
Profesor. Departamento de Construcciones Arquitectónicas. Escuela Técnica Superior de
Arquitectura. Universidad de Alicante (España)
a
jfmadrid@udc.es,
b
javier.rivadulla@ua.es,
c
patricia.alonso@ua.es
RESUMEN
La elección y ejecución de la subestructura de la fachada ventilada tiene una
decisiva contribución en las prestaciones térmicas de ésta. Las fijaciones, los
montantes y los perfiles horizontales se comportan como disipadores de
energía, la cual es extraída del interior del edificio y disipada hacia el exterior.
En la presente comunicación se analiza este fenómeno en términos
cuantitativos y se ofrecen recomendaciones en el diseño y ejecución de las
subestructuras para minimizar estas pérdidas.
Palabras-Clave: Transmisión térmica, Fachadas Ventiladas, Anclajes.
ABSTRACT
Both the election and the execution of the substructure of rainscreen façade
have a decisive influence in its thermal performance. Fixings, mullions and
transoms behave as heat sinks, which is extracted from inside the building and
removed towards the outside.
This paper is aimed to analyze in quantity terms this phenomenon and to offer
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several recommendations in the design and execution of the substructures to
minimize these losses.
Keywords: Thermal transmission, Rain screen; Anchors.
ANALES DEL 6º CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE PATOLOGÍA Y
REHABILITACIÓN DE ESTRUCTURAS – CINPAR 2010 – 6oCINPAR0000
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CONTRIBUCIÓN DEL ANCLAJE EN EL COMPORTAMIENTO
TÉRMICO DE FACHADAS VENTILADAS
Introducción
Muchos autores indican la directa relación entre elevada cantidad de
anclajes puntuales en fachadas ventiladas y la reducción de la eficacia del
aislarte térmico, y llegan a establecer un punto de equilibrio entre la dimensión
de las placas de piedra y su espesor con el número y tamaño de dichos
anclajes.
Con la aparición de fachadas ventiladas con revestimiento cerámico,
bandejas de "composites", etc. se ha dado un vuelco a la sujeción, dejando los
anclajes puntuales directos al soporte para disponer una subestructura de
perfiles de aluminio extruido o de acero galvanizado fijada en menor número de
puntos al soporte.
Con la pretensión de haber reducido al mínimo las discontinuidades de
la capa aislante térmica, es práctica habitual calcular la trasmitancia térmica de
las fachadas ventiladas, despreciando los puentes térmicos derivados de las
fijaciones de dicha subestructura.
En este artículo se demuestra la inconsistencia de dicha práctica, al
evaluar pormenorizadamente las pérdidas térmicas a través de la subestructura
de apoyo del revestimiento ventilado.
Temperatura de los elementos de una fachada ventilada
Para el comportamiento higrotérmico de fachadas ventiladas en invierno,
está recomendado excluir los elementos situados por el exterior de la capa
aislante, debido a que la cámara ventilada y drenada es totalmente permeable
al flujo de calorías y por tanto no supone ninguna mejora en el retardo de
pérdidas térmicas.
Los técnicos proyectistas de fachadas dejan, pues, de prestar atención
tanto a la cámara como a los anclajes y al revestimiento, y se dedican a
calcular las temperaturas de cada una de las restantes capas y su presiones de
vapor correspondientes, con el propósito de asegurar, o bien, que no se
producen condensaciones intersticiales, o que la tasa de producción de agua
condensada es menor que la evaporada (Tabla.1).
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Tabla 1: Cálculo del coeficiente de transmisión térmica del cerramiento
(K=1/U).
Medición "in situ" de temperaturas
En una investigación acerca del bio-deterioro de fachadas de piedra
ventilada, se procedió a la verificación del rango de temperaturas que se
alcanzaba precisamente en los elementos habitualmente "olvidados" de las
fachadas ventiladas: la cámara, la subestructura y los anclajes, y – cómo no el revestimiento.
Sobre una fachada ventilada de granito, orientada al Norte, se habían
dispuesto varias placas con tratamientos preventivos frente a la colonización
por algas. En el interior de la fachada se colocaron sensores de temperatura
para determinar simultáneamente la caída de temperaturas a través de todas
sus capas (enlucido de 1 cm, muro de hormigón armado de 25 cm, aislamiento
exterior de 4 cm de espuma de poliuretano, cámara de aire de 8 cm y aplacado
de granito de 3 cm).
La subestructura de aluminio extruído se componía por montantes
verticales en forma de "T" con un frente de 80 mm y espalda de 120 mm, con
un espesor de 2 mm, atornillados a sujeciones angulares en forma de "L" de
80+120 mm ancladas al soporte mediante tacos metálicos. Los montantes
estaban equidistantes, colocados con una separación de 60 cm, en tanto que
las sujeciones aprovechaban la rigidez del montante y estaban situadas a una
distancia de 100 cm. En este caso no había un segundo orden de perfiles para
soportar la piedra, sino que se fijaban directamente a los montantes con grapas
estampadas de acero inoxidable.
Para monitorizar el comportamiento térmico de cada uno de los
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elementos se han dispuesto cuatro aparatos que graban la temperatura cada
20 minutos. Los sensores estuvieron grabando datos desde el 16 de mayo de
2008 a la misma fecha de 2009. Estos sensores midieron respectivamente la
temperatura de: 1) interior del edificio; 2) del interior de la cámara; 3) de la
superficie de los montantes de aluminio y 4) placas del revestimiento de piedra
(Fig. 1).
Figura 1: Gráfica de temperaturas sobre el cerramiento y puntos de
medición en diversos momentos del día y Temperatura exterior, y gráfica
según RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios).
La información de temperaturas aportada por los sensores ha permitido
obtener una “instantánea” de la gráfica térmica, de un día común de otoño, a
través del cerramiento, tal como se muestra en la Tabla 2, con una temperatura
exterior de 14 ºC y una temperatura interior del edificio de 19,2 ºC.
Tabla 2: Datos de temperatura en diversos puntos del cerramiento, según Fig.
1).
De la lectura de los primeros resultados podemos extraer que el promedio
de la diferencia de temperaturas entre la cara exterior del aislante y la
subestructura de aluminio es de 1 ºC, cantidad nada despreciable si tenemos
en cuenta que el salto térmico entre el interior y el exterior es de 5,2 ºC.
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La subestructura como disipador de calor
La segunda ley de la termodinámica expresa, en una forma concisa, que
"la cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente
tiende a incrementarse con el tiempo". Más sencillamente, cuando una parte de
un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por
igual, hasta que el sistema alcanza el equilibrio térmico.
Por ello, dos cuerpos dejados un tiempo suficientemente largo en un
ambiente de temperatura conocida, acaban teniendo la misma temperatura. La
sorpresa vino al comprobar que, contrariamente a lo esperable, el
revestimiento de piedra y la subestructura no tenían la misma temperatura
superficial. Era lógico, pues el sistema no era cerrado, sino abierto.
La fuente de calor para explicar el salto térmico entre perfilería y
ambiente exterior provenía lógicamente del interior del edificio. Las sujeciones
en "L" recibían el calor del soporte –el muro de hormigón- y éstas lo trasmitían
por conducción a los montantes. La elevada capacidad conductiva del aluminio
(204 W/mK) explica la uniformidad de temperatura en toda la subestructura. La
persistencia en el salto térmico entre la subestructura y el ambiente exterior,
indica que ésta última está actuando como un "disipador" de energía, al modo
que lo hacen las aletas de aluminio de los microprocesadores - aunque en este
caso sin ventiladores - pero con el concurso de la pequeña corriente de aire
ascendente que surge por efecto chimenea en la cámara ventilada.
Finalmente, el revestimiento de granito, con una conductividad térmica
alta, en torno a 3,5 W/mK, contribuye a robar energía a través del sistema que
lo sustenta.
Evaluación de las pérdidas térmicas
Con el fin de cuantificar este flujo de calor hemos tomado como
referencia los principios de cálculo basados en la Ley de Ohm térmica
aplicados al diseño y cálculo de disipadores de calor de equipos electrónicos,
de maquinaria y de radiadores de aluminio. Los disipadores tomados como
modelo para estos cálculos trabajan con temperaturas de 200 ºC, y por tanto
con un salto térmico de 175 ºC respecto de la temperatura del aire que circula
por ellos, con velocidades del aire entre 1,4 y 2,1 m/s, sección 12 cm2 y caudal
6 m3/h, cuantificándose su capacidad de disipación en 1 W por cada 2 cm2 de
aluminio expuesto [1]
Estos modelos pueden extrapolarse a las condiciones ambientales de la
subestructura objeto de estudio. En nuestra fachada ventilada las mediciones
de velocidad del aire dentro de la cámara dieron como resultado un promedio
de 0,3 m/s, dato corroborado por diversos estudios y simulaciones CFD [2].
Con esta velocidad podemos obtener el flujo de calor emitido por unidad de
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superficie de aluminio expuesto, en torno a 0,000617 W/ cm2, con un salto
térmico de 1 ºC. (Tabla 3).
2
Disipador aluminio
T: 175 ºC
V: 1,39 m/s
A: 2 cm
Fachada ventilada
T: 1 ºC
V: 0,30 m/s
A: 1 cm
Flujo:
2
1W
Flujo: 0,000617 W
Tabla 3: Cálculo del flujo de calor por unidad de superficie de aluminio
expuesto
Calculando el área de disipación de la subestructura de aluminio en
contacto con el aire que circula por la cámara, correspondiente a una placa de
granito y dividiéndola por la superficie de la placa, se obtiene la proporción de
la superficie de disipación por metro cuadrado de fachada.
Para ello calculamos la superficie de material expuesto al flujo de
convección de la cámara de aire de cada uno de los elementos de la
subestructura:
Área de disipación de subestructura de aluminio en “T” para un aplacado
de 120 x 40 cm con 5 cm expuestos y 8 cm de apoyo al soporte;
2
Superficie expuesta as = ([0,05 + 0,08] x 2) m x ([0,40 x 2] / [1,20 x 0,40]) m = 0,43 m
Superficie expuesta por metro cuadrado para una fachada con anclajes
puntuales formada por 4 anclajes – normalmente cilíndricos – con diámetro de
8 mm y 5 cm de longitud expuesta al flujo de convección;
2
Superficie expuesta ap = 2 r x 4 ud x 0,05 m = 0,00502 m
De esta forma concluimos que el flujo de calor disipado en función del
tipo de anclaje del revestimiento por cada metro cuadrado de fachada es del
orden de:
2
4
2
2
Flujo calor subestructura Qas = 0,43 m x 10 x 0,000617 W/ cm = 2,653 W/ m
2
4
2
2
Flujo calor puntual Qap = 0,00502 m x 10 x 0,000617 W/ cm = 0,031 W/ m
De estos resultados se deduce que la subestructura lineal de aluminio
disipa en torno a 80 veces más energía que un sistema de anclaje puntual.
Con el fin de valorar la relevancia de dicho flujo de calor, se expresan a
continuación las pérdidas de calor a través de los dos cerramientos tipo de la
edificación analizada:
Cerramiento tipo
Flujo de calor
Total
Cerramiento opaco
Qc = kc x T = 0,59 W/ m K x (19,2 ºC -14,0 ºC) =
Cerramiento de vidrio
Qc = kc x T = 3,9 W/ m K x (19,2 ºC -14,0 ºC) =
23,40 W/ m
FV + subestructura
Qtotal = Qc + Qas = 3,54 + 2.653 =
6,19 W/ m
2
2
2
3,54 W/ m
2
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2
FV + anclaje puntual
Qtotal = Qc + Qap = 3,54 + 0.031 =
2
3,57 W/ m
Tabla 4: Comparativa de las pérdidas de calor a través de los dos cerramientos
tipo
En términos comparativos se deduce que las pérdidas de calor por la
disipación en una fachada ventilada con subestructura lineal de aluminio
suponen, en relación al cerramiento opaco de fachada, un 75% más de
pérdidas. Entendemos que este ratio se mantendrá constante con la variación
de la temperatura exterior y aumento del salto térmico en las condiciones de
invierno, que será objeto de una posterior investigación.
Conclusiones
1.- La elección y ejecución de la subestructura de la fachada ventilada tiene
una decisiva contribución en las prestaciones térmicas de ésta. Las fijaciones,
los montantes y los travesaños se comportan como disipadores de energía, la
cual es extraída del interior del edificio y disipada hacia el exterior.
2.- La cantidad de energía disipada por una subestructura, compuesta por
montantes verticales de aluminio separados 60 cm, supone un aumento del 50
% de pérdidas para la parte ciega de la fachada.
3.- La cantidad disipada por una subestructura semejante a la anterior pero
con travesaños horizontales antepuestos separados 60 cm alcanzaría el 100%
de pérdidas a mayores de las calculadas para la parte ciega
4.- La tasa de pérdidas energéticas en fachadas ventiladas, originada tanto
por anclajes puntuales directos como por la subestructura, es relevante cuando
se trata de reducir las pérdidas energéticas de la envolvente a las
transmitancias exigidas por el CTE (Código Técnico de la Edificación).
5.- Sabiendo que el coste de producción es de 0,11 /KW/h para un sistema
de calefacción por efecto Joule, tendremos un sobrecoste energético de
calefacción (2,653 W/m2 por 12 h/día de 180 días/ año) de 5,73 kW/h al año,
por metro cuadrado de fachada, es decir, 0,63 /m2.
Concretamente para el edificio estudiado, que posee 1.650 m2 de fachada,
el tipo de anclaje diseñado está provocando un costo energético anual de
1.050 . En el caso de que la fuente de energía fuera con caldera de gas
natural centralizada sería de 0,045 / (kW/h) , con lo que supondría un gasto
de 425 al año.
Recomendaciones
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En fachadas ventiladas es altamente beneficioso prestar atención a la
elección del tipo de anclaje, así como de las discontinuidades en la capa
aislante térmica que puedan derivarse de aquella.
El desconocimiento de la capacidad disipadora de energía que posee
cualquier subestructura puede llevarnos a evaluar incorrectamente la
transmisión global que realmente poseen nuestras fachadas.
Una medida correctora de esta situación consistiría en reducir la conducción
de calor desde el soporte a las sujeciones y de las sujeciones a los montantes
de la subestructura mediante la interposición de una banda de material aislante
entre dichos elementos.
Si existe previsión de rotura de puentes térmicos y control de su puesta en
obra en un sistema por subestructura lineal, utilizaremos la transmitancia de
cálculo sin corrección alguna. Pero si no existe dicho control o no se eliminan
los puentes térmicos con material aislante, se debería aplicar un incremento de
al menos un 25% sobre el coeficiente de transmisión térmica del cerramiento.
REFERENCIAS
[1] Aguilar, J. D.; Almonacid, G. Disipadores de Calor. RADIORAMA
Octubre 1996, 28-31.
[2] Balocco, C. A non-dimensional analysis of a ventilated double façade
energy performance. Energy and Buildings 36 (2004), 35-40; Manz, H.
Numerical simulation of heat transfer by natural convection in cavities of
façade elements. Energy and Buildings 35 (2003), 305-311.
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