Propiedades Térmicas de los Materiales

Las propiedades térmicas de los materiales de construcción son fundamentales para crear espacios confortables. Cuando diseñamos paredes, techos o pisos, estas propiedades determinan cómo se comportará el edificio frente al clima exterior.

El calor es una forma de energía cinética térmica que fluye de un cuerpo a otro debido a diferencias de temperatura. Por otro lado, la temperatura representa el promedio de energía cinética de las moléculas de un cuerpo. Cada material tiene un calor específico propio, que representa la cantidad de energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1g de ese material.

La transferencia de calor ocurre mediante tres procesos distintos:

• Conducción: transferencia de energía entre materiales que están en contacto directo
• Convección: propagación del calor por movimiento de sustancias líquidas o gaseosas
• Radiación: desplazamiento de energía en forma de ondas electromagnéticas

💡 ¡Dato clave! Cuando la radiación solar impacta en una superficie, puede ser absorbida (ingresando al material y cambiando su temperatura), reflejada (rebotando sin ingresar) o transmitida (pasando a través del material sin alterarlo). La proporción de cada una determinará el comportamiento térmico del elemento constructivo.

Cuando seleccionamos materiales, debemos considerar su conductividad térmica (facilidad con que propaga el calor) y su resistividad (oposición al paso del calor). Por ejemplo, el acero tiene alta conductividad $58 W/mK$, mientras que el ladrillo tiene baja $0,91 W/mK$, lo que significa que el ladrillo retiene mejor el calor.

Propiedades Térmicas de las Envolventes

Las envolventes son los elementos que delimitan y configuran un espacio habitable. Una envolvente bien diseñada funciona como un filtro ambiental que controla las condiciones climáticas exteriores para optimizar el confort interior.

La capacidad térmica de una envolvente representa su habilidad para almacenar calor. Esta propiedad es proporcional al calor específico, a la masa y a la densidad del material. Por ejemplo, el agua tiene una capacidad térmica de 1000 Kcal/m³°C, mientras que el ladrillo tiene 400 Kcal/m³°C. Esto explica por qué algunos materiales "mantienen" mejor el calor que otros.

La inercia térmica es otra propiedad crucial de las envolventes. Esta representa la dificultad que ofrece un material para cambiar su temperatura. Una buena inercia térmica permite retrasar y disminuir la variación térmica exterior, logrando que los cambios bruscos de temperatura fuera del edificio no se sientan inmediatamente adentro.

Según su comportamiento térmico, podemos clasificar las envolventes en tres tipos:

1. Envolventes que permiten el paso de la energía radiante (como vidrios)
2. Envolventes que se oponen al paso de la energía térmica (aislantes)
3. Envolventes que acumulan energía y la reirradian (como ladrillo o piedra)

🔍 Recuerda: La elección de materiales no es solo estética. Al conocer las propiedades del material, conocerás el comportamiento del elemento constructivo completo, lo que te permitirá diseñar espacios energéticamente eficientes.

La estrategia de diseño variará según el clima. En climas fríos necesitarás materiales con alta resistencia térmica, mientras que en climas cálidos pueden ser más útiles materiales con buena reflectividad o capacidad de ventilación.

Materiales Aislantes

Los materiales aislantes son fundamentales para lograr el confort humano en la arquitectura. Estos materiales tienen la propiedad de resistir el paso de distintos elementos como el agua, el calor, el fuego o el sonido.

Existen cuatro tipos principales de aislantes:

• Aislantes térmicos: regulan el flujo de calor a través de la envolvente
• Aislantes hidrófugos: impiden el paso del agua en estado líquido
• Aislantes ignífugos: retrasan el avance del fuego
• Aislantes acústicos: controlan la propagación del sonido

Los aislantes térmicos son aquellos materiales que retrasan la transmisión de energía térmica. Su efectividad se debe a la cantidad de celdillas o poros no comunicados entre sí que contienen aire en su interior. A más celdas, mayor aislación. Por esta razón, los buenos aislantes térmicos poseen baja densidad $entre 10 y 700 kg/m³$.

La efectividad de un aislante térmico se puede medir por su conductividad térmica: cuanto menor sea esta, más aislante será el material. Para aislar térmicamente un espacio podemos usar dos estrategias:

1. Inercia térmica: demorar y amortiguar el paso del calor (resistividad acumulativa)
2. Aislación térmica: amortiguar el paso del calor (resistividad térmica sin acumulación)

💡 Concepto importante: La diferencia entre un material con inercia térmica y un aislante es que el primero almacena calor y lo libera lentamente, mientras que el segundo simplemente impide su paso.

Entre los aislantes térmicos más utilizados encontramos:

• Poliestireno expandido (Telgopor): baja conductividad térmica y alta resistencia a la absorción del agua
• Lana de vidrio: contiene diminutas celdas de aire que ofrecen alta resistencia al paso del calor
• Vermiculita: mineral exfoliado con innumerables capas de aire que le dan cualidades aislantes
• Aislantes reflectivos: actúan reflejando la radiación cual espejo, especialmente útiles en techos de chapa

Aislantes Hidrófugos y Madera

Los aislantes hidrófugos son materiales que protegen contra el agua y la humedad. Son esenciales porque la humedad puede ingresar a las construcciones desde tres fuentes principales:

1. Desde el terreno: por capilaridad en mamposterías y contrapisos
2. Desde el exterior: por lluvia, granizo o nieve
3. Desde el interior: por el vapor de agua contenido en el aire

Para controlar la humedad ascendente se interpone una capa aislante hidrófuga. Para las envolventes exteriores se utilizan revoques, pinturas o membranas. Para la humedad interior se emplean barreras de vapor o membranas reguladoras.

La madera es otro material fundamental en la construcción con características muy particulares. Sus propiedades varían según el tipo, edad del árbol y zona climática, pero en general presenta:

Propiedades físicas:

• Menor densidad que el agua (flota)
• Higroscopicidad (absorbe y exhala humedad según el medio)
• Anisotropía (propiedades mecánicas diferentes según la dirección)

Propiedades térmicas: La madera es un mal conductor de calor, aunque su conductividad es superior a la de los aislantes térmicos. El buen comportamiento térmico de una envolvente de madera depende de la capa específica de aislación térmica.

🌳 Importante: Las maderas se clasifican según su dureza en duras (como el lapacho o quebracho), semiduras (como el cedro o el roble) y blandas (como el pino o el álamo). Cada tipo tiene aplicaciones específicas según sus características.

La madera también ofrece grandes ventajas ecológicas: es reciclable, reduce el dióxido de carbono de la atmósfera y su procesamiento requiere bajo consumo energético. Además, sus cualidades estéticas brindan calidez, naturalidad y expresividad.

Entre los productos derivados de la madera encontramos tableros aglomerados, contrachapados, de fibra, placas OSB y maderas laminadas, que permiten obtener dimensiones y formas no posibles con madera natural.

Metales y Mampuestos

Los metales son materiales versátiles con excelentes propiedades mecánicas. Se clasifican principalmente en:

1. Ferrosos: tienen hierro como componente principal (hierro, acero, fundición)
2. No ferrosos: no contienen hierro (aluminio, cobre, bronce)

Las propiedades más importantes de los metales incluyen su peso específico, conductividad térmica y eléctrica, resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y dureza. Para fabricar productos metálicos se utilizan técnicas como laminado, forjado, fundición, extrusión, trefilado y plegado.

Para proteger los metales contra la oxidación se emplean diversos métodos:

• Pinturas (antióxidos y convertidores)
• Galvanizado (recubrimiento de zinc)
• Estañado (capa de estaño)
• Esmaltado (recubrimiento vidriado)

El hierro puro no se utiliza en construcción, pero sus aleaciones sí. El acero surge del agregado de carbono al hierro, es maleable, dúctil y soldable. Tiene alta resistencia a esfuerzos de tracción y compresión. El aluminio ofrece resistencia mecánica considerable, es más liviano que el acero y tiene alta resistencia a la corrosión.

⚙️ Dato práctico: Los metales en construcción se comercializan como barras, planchuelas, caños, tubos, perfiles, chapas y mallas. Cada formato tiene usos específicos en la obra.

Los mampuestos son piezas constructivas a escala de la mano humana ("puesto con la mano"). Se clasifican en:

• Mortero cementicio (bloques de hormigón)
• Arcilla cruda (adobe) o cocida (ladrillos)
• Piedras naturales

Según su capacidad para resistir cargas, los mampuestos pueden ser portantes o no portantes. El ladrillo común es una pieza cerámica obtenida de arcilla y materiales orgánicos, moldeada, secada al aire y cocida en horno. Un buen ladrillo debe tener uniformidad de color, sonido metálico, masa homogénea, aristas vivas y no ser demasiado frágil ni poroso.

Ladrillos Cerámicos y Bloques

Los ladrillos cerámicos huecos están elaborados con arcilla similar a los ladrillos comunes, pero mediante producción industrial. Esto les otorga mayor resistencia, terminación lisa y forma regular.

Existen dos tipos principales:

• No portantes: con disposición horizontal de los huecos
• Portantes: con disposición vertical de los huecos

Es importante entender que los ladrillos cerámicos huecos no son aislantes térmicos. Su comportamiento térmico es de resistencia acumulativa, pero con baja amortiguación de la onda de calor y escaso retardo. Una desventaja son los puentes térmicos que se producen por la continuidad del material cerámico entre huecos.

Los bloques de mortero cementicio son mampuestos prefabricados de arena, cemento y agua. Sus dimensiones varían desde plaquetas de 5cm hasta bloques de 20cm de espesor, modulados cada 20cm. Un detalle importante: al mojarse se expanden, por lo que deben protegerse de la lluvia durante la obra para evitar fisuras posteriores.

El Retak es un mampuesto de hormigón celular curado en autoclave. Con estos bloques no se permite ejecutar muros portantes en zonas sísmicas, pero sí tabiques divisorios. Su estructura celular disminuye el paso del agua, haciendo innecesario agregar otros materiales aislantes como el azotado hidrófugo.

🧱 Para tener en cuenta: Al elegir un mampuesto, considera no solo su capacidad estructural, sino también su aislación térmica, absorción de agua, terminaciones necesarias y efectos ambientales que genera su producción y uso.

Cada tipo de mampuesto tiene ventajas y desventajas. El ladrillo común tiene buena aislación e inercia térmica pero alta absorción de agua. El bloque cementicio tiene mala aislación térmica pero baja absorción de agua. El bloque cerámico tiene buena aislación térmica pero mala inercia térmica.

Morteros y Hormigón

Los morteros son mezclas compuestas por un aglomerante, un árido fino y agua que al amasarse forman una masa plástica que luego endurece por fraguado. A diferencia del hormigón, el mortero sólo contiene áridos finos, mientras que el hormigón incorpora también áridos gruesos.

Los aglomerantes más utilizados son cementos, cales, yesos, arcillas y asfaltos. Tienen la propiedad de ser plásticos cuando se agrega agua, permitiendo trabajarlos, para luego endurecerse. Según el tipo de aglomerante, los morteros pueden ser cementícios, calcáreos, yesosos o bituminosos.

Los agregados finos son materiales inertes, principalmente arenas naturales (producto de erosión) o artificiales (de triturado). La resistencia mecánica de la arena debe ser mayor o igual a la del aglomerante endurecido.

El fraguado de los morteros no es simplemente un secado, sino un proceso químico de endurecimiento. Podemos identificar tres etapas:

1. Etapa plástica: cuando se ha amasado y está en condiciones de trabajabilidad
2. Etapa de fragüe: proceso químico irreversible que comienza aproximadamente a los 30 minutos
3. Etapa de endurecimiento: el mortero adquiere resistencia en su posición final

⚠️ Importante para la obra: Los morteros cementícios una vez que inician el fraguado (30 minutos) no se pueden reutilizar. Los morteros calcáreos sin cemento pueden volver a amasarse mientras no se sequen.

El dosaje es la cantidad proporcional de cada elemento del mortero. Puede ser por volumen (más usado en obras, midiendo con baldes), por peso (más preciso, usado en grandes obras) o mixto. Los dosajes siguen un orden preestablecido: primero aglomerante principal, luego secundario, y por último áridos de fino a grueso $ej.: 1/4 cemento, 1 cal, 3 arena gruesa$.

Para lograr aislación hidrófuga (como en capa aisladora) sólo se utilizan morteros cementícios, ya que los calcáreos son higroscópicos. Nunca deben pasar los revoques por debajo de la capa aisladora para evitar la ascensión de humedad.

Propiedades del Hormigón

El hormigón es una piedra artificial constituida por aglomerante (cemento, cal, yeso), árido fino (arena), árido grueso (grancilla, piedra) y agua. Después de amasado forma una masa plástica moldeable que, tras el fraguado, se convierte en un material sólido similar a una roca.

El proceso de fraguado comienza aproximadamente 30 minutos después del amasado y es una reacción química irreversible que libera gran cantidad de calor. La calidad del agua es crucial: debe ser potable y tener bajo contenido de sales para evitar corrosión en las armaduras.

El hormigón pasa por tres estados fundamentales:

1. Estado fresco o plástico: admite ser manipulado para adaptarse a los encofrados
2. Proceso de fraguado: reacciones químicas que liberan calor y son irreversibles
3. Estado endurecido: adquiere rigidez definitiva (aproximadamente 10 horas después de iniciar el fragüe)

Las propiedades del hormigón fresco incluyen:

• Plasticidad: capacidad de ser colocado en su lugar de destino
• Homogeneidad: distribución uniforme de todos los componentes
• Masa específica: relación entre masa y volumen

🔨 Para constructores: La relación agua/cemento es crucial en el hormigón. Un exceso de agua aumenta la trabajabilidad pero reduce la resistencia final y aumenta la permeabilidad, exponiendo el material a potenciales agresiones.

En estado endurecido, el hormigón presenta propiedades físicas (densidad, compacidad, permeabilidad), mecánicas (resistencia a compresión, tracción y desgaste) y térmicas (conductividad, calor específico).

El dosaje del hormigón determina sus propiedades finales. Un dosaje común expresado en volumen es 1:3:3 (1 parte de cemento, 3 de arena, 3 de granza). Para obras estructurales, los hormigones generalmente se dosifican por peso, obteniendo mayor precisión.

El hormigón armado combina hormigón con acero para responder a solicitaciones de compresión y tracción, aprovechando que el hormigón resiste mejor la compresión y el acero la tracción.

Vidrios y Arquitectura Bioclimática

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil y transparente que se obtiene a 1500°C a partir de arena de sílice, carbonato de sodio y caliza. Sus propiedades lo convierten en un material crucial para el diseño bioclimático, aunque presenta un desafío por su alta transmisión de calor.

Un fenómeno importante relacionado con el vidrio es el efecto invernadero: el sol emite radiación de onda corta que atraviesa el vidrio calentando los cuerpos del interior; estos luego emiten calor con longitud de onda larga, para la cual el vidrio es opaco, funcionando como una "trampa de calor".

Hoy existen múltiples tipos de vidrio con diferente comportamiento ante la radiación solar: float simple, laminados, templados, reflectantes, serigrafiados, múltiples con cámara de aire, y vidrios de respuesta energética selectiva o variable. La elección debe considerar los requerimientos de actividad y el clima del lugar.

La arquitectura como filtro ambiental debe considerar la relación entre el hombre, sus actividades y el lugar con sus características climáticas específicas. El ser humano no puede cambiar el clima general, pero sí puede modificar el microclima mediante espacios diseñados con envolventes acondicionadoras.

🌡️ Concepto clave: El clima es el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan un lugar durante un largo periodo, mientras que el microclima representa las condiciones específicas de una pequeña extensión que podemos modificar mediante el diseño.

Los parámetros atmosféricos más importantes son:

• Radiación solar y asoleamiento
• Radiación difusa
• Movimiento del aire
• Temperatura
• Humedad (absoluta y relativa)
• Precipitaciones

Estos parámetros pueden variar según características del suelo, topografía, vegetación y modificaciones urbanas. Comprender estos factores es esencial para diseñar edificios que funcionen eficientemente como filtros ambientales entre el clima exterior y las necesidades de confort interior.

Radiación Solar y Diseño Arquitectónico

La relación entre la Tierra y los rayos solares es fundamental para el diseño arquitectónico. Los ángulos de incidencia solar determinan el recorrido aparente del sol, la duración del día/noche y las estaciones, influyendo directamente en las estrategias de diseño.

La posición del sol en la bóveda celeste se expresa mediante dos ángulos:

• Azimut: ángulo horizontal formado entre el norte y el plano vertical que contiene al sol
• Altura: ángulo vertical entre la línea que une al observador con el sol y su proyección sobre el horizonte

Estos ángulos varían según la latitud del lugar y la época del año. En el hemisferio sur, el 21 de diciembre (solsticio de verano) los rayos solares inciden perpendicularmente al trópico de Capricornio, mientras que el 21 de junio (solsticio de invierno) inciden perpendicularmente al trópico de Cáncer.

La cantidad de energía solar que recibe un lugar depende del ángulo de incidencia: a menor ángulo (más perpendicular), mayor energía recibida. Este principio es fundamental para diseñar envolventes acondicionadoras que aprovechen o rechacen la radiación solar según sea necesario.

🌞 Para diseñadores: Las tablas de posición solar (azimut y altura) son herramientas esenciales que permiten estudiar el asoleamiento y diseñar protecciones adecuadas según el clima y la estación del año.

Para diseñar respetando y aprovechando el clima local, debemos seguir estos pasos:

1. Considerar las necesidades y actividades humanas
2. Analizar el clima local (datos y gráficos)
3. Realizar un diagnóstico (condición climática básica, ventajas e inconvenientes)
4. Fijar estrategias $ganar/no ganar calor, acumular calor, modificar humedad$
5. Analizar los recursos disponibles (clima, materiales, diseño)

Los climogramas de bienestar como el Diagrama de Olygay son herramientas útiles que relacionan parámetros climáticos (temperatura y humedad relativa) con situaciones de confort, permitiéndonos tomar decisiones de diseño más informadas.