Sistemas de techo alternativo. SISTEMA DE TECHO ALTERNATIVO PARA VIVIENDA PROGRESIVA EN TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS, MÉXICO. Por: Gabriel Castañeda Nolasco y Francisco Vecchia.

Nota: Anexo artículo para ver la posibilidad de su publicación por: Gabriel Castañeda Nolasco, Facultad de arquitectura de la Unviersidad Autónoma de Chiapas, México. Comportamiento térmico de techo verde, Gabriel Nolasco <gnolasco2@gmail.com>

Artículo anteriormente publicado en la Revista Ingenieria, de la universidad Autonoma de Yucatán, México. Castañeda Nolasco, G. y Vecchia, F. (2007). Sistema de techo alternativo para vivienda progresiva en Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México. Ingeniería, Revista Académica de la FI-UADY, 11-2, pp. 21-30, ISSN: 1665-529X .

Se expone el resultado de la comparación experimental del comportamiento térmico de dos sistemas de techo: Concreto Armado y Domotej, con lo que se demostró que el Domotej es una propuesta de techo alternativo que mejora el comportamiento térmico del techo de concreto armado utilizado convencionalmente en las viviendas construidas en Tuxtla, Gutiérrez, Chiapas. El análisis térmico se realizó en un día típico experimental, comparando las temperaturas superficiales de los dos sistemas de techos. Sin embargo, debido a la ventaja térmica mínima lograda con la propuesta inicial, se le colocó una capa de sustrato con pasto en la parte superior, lo que amplió dicha ventaja sobre el techo a mejorar. Palabras clave: Comportamiento térmico, techo alternativo, análisis térmico, techo verde.

INTRODUCCIÓN. Según la clasificación de W. Koeppen (Ayllón, 1996), Tuxtla Gutiérrez se localiza en una zona tropical con lluvias en verano, con tipo climático Aw. Por lo que en gran parte del año se viven altas temperaturas durante el día, llegando incluso, en casos excepcionales, hasta 42° C.
Morillón elaboró un mapa del bioclima de México, que muestra calor en casi todo el territorio nacional durante más de 7 meses, destacando en el sureste, Chiapas y Yucatán, donde solamente en los meses de diciembre y enero se percibe un pequeño cambio que puede detonar frío (Morillón, 2005).

Por otra parte, en Tuxtla Gutiérrez, como en muchas ciudades del país se ha experimentado un crecimiento urbano alarmante en las últimas décadas, con una notable reducción de la superficie cubierta por vegetación, por incremento en la construcción de diferentes tipos de edificios, aumentando la superficie de terrenos cubiertos con concreto (hidráulico y asfáltico), en calles, parques, patios, techos, etc. lo que presupone el incremento en la temperatura del microclima, de estas zonas de la ciudad en general y, en las edificaciones en particular, por el almacenamiento de energía radiante durante el día y su liberación por la noche (Cruz, et al, 2006).

En Tuxtla Gutiérrez en el periodo de primavera, un sistema de techo de concreto armado, comúnmente utilizado en la vivienda, de acuerdo con mediciones experimentales (Castañeda y Argüello, 2005, Cruz, et al, 2006), alcanza una temperatura superficial de 45° C , cuando la temperatura del aire exterior es de 37° C y, sin ningún sistema activo o pasivo para el mejoramiento de las condiciones térmicas del interior del edificio, la temperatura del aire interior llega a 35° C, manteniéndose dicha temperatura durante 12 horas por arriba de los 30° C a partir del medio día, temperatura que puede considerarse como límite para que el ser humano no sufra problemas en su metabolismo por estrés térmico, considerando que la temperatura de la piel se mantiene entre 31° y 34° C (Auliciems y Szokolay, 1997). Con base en lo anterior, se entiende que las personas que habitan bajo techos de concreto armado, sin ningún tipo de protección contra la radiación solar directa, sufren estrés térmico que con el tiempo puede afectar, no solo su comportamiento o rendimiento físico, sino también su salud. Sumado a esto cabe hacer nota la utilización de medios mecánicos o de climatización artificial, lo que impacta en el incremento del consumo de energía eléctrica, con los efectos económicos negativos.  Por todo lo anterior, en el presente trabajo, el cual es parte de la tesis doctoral “Adaptação tecnológica para teto de habitação social: Estudo de caso em Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México”, se partió del análisis térmico del techo de concreto armado, considerando los resultados como el parámetro a mejorar por medio de la propuesta de un sistema de techo alternativo, que reduzca la penetración de calor radiante a la vivienda, comparando la temperatura superficial interior de los dos sistemas mencionados, para demostrar la eficiencia de la propuesta.

MATERIALES Y MÉTODOS. Análisis climático. Para desarrollar el trabajo experimental en el que se tiene como objetivo central la comparación de las temperaturas superficiales de los dos sistemas de techo: Concreto armado y Domotej, se determinó un periodo representativo de calor mediante la identificación de la época de más calor en el contexto de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, con base en el análisis de las normales climatológicas del lugar (1951-1980), con lo que se determinó como periodo a estudiar el rango comprendido a partir de la mitad del mes de abril hasta la mitad del mes de mayo, que conforma un periodo con temperaturas altas durante el año, como se aprecia en la figura1.

Con base en lo anterior, y con apoyo en la teoría de la climatología dinámica (Vecchia, 1997), se determinó que el periodo entre el 15 de abril al 15 de mayo de 2006, es el periodo para desarrollar el experimento como se aprecia en la figura 2, durante el cual se definió un periodo representativo de calor, dominado por la masa de aire caliente, que al observar el ritmo climático (Monteiro, 1971), dicho periodo fue del 2 al 12 de mayo de 2006, como se aprecia en la figura 3, periodo donde se alcanzaron las temperaturas más altas de 2006 que, a pesar de que el día 10 de mayo fue el más caluroso del año en Tuxtla Gutiérrez, pues llegó a 38.77° C, se definió como día típico experimental (Vecchia 1997), el 7 de mayo debido a que ese día presentó una temperatura máxima de 36.13° C, superando solo por 1° C la media de las temperaturas máximas de las normales climatológica de Tuxtla Gutiérrez, de 1951-1980, que ascendieron a 35° C, por lo que la temperatura del día 7 de mayo puede considerarse como más frecuente de suceder en la época de calor de Tuxtla, por lo que en ese día se realizó el el experimento.

Descripción de las tecnologías.
En Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México, el techo de la vivienda es construido, hasta en el 80% de los casos con una placa de concreto armado, generalmente de 10 cm. de espesor fundido monolíticamente en el lugar (INEGI, 2005), lo que inicialmente exige una inversión considerada entre el 20% y 30% del costo total de la vivienda (Castañeda, 2005). Lo anterior se aplica en todos los niveles socioeconómicos de la población que, a pesar del alto precio de los materiales, se explica a partir de los conceptos predominantes de vivienda segura y duradera, incluso los habitantes de las colonias precarias aspiran llegar a construir su techo con esa tecnología, que a lo largo de un periodo prolongado entre 15 y 20 años, es logrado (Ibid.).

Los techo comparados durante el experimento corresponden a dos viviendas ocupadas, construidas con paredes de ladrillo de 15 cm. de espesor y repelladas con mortero cemento-cal-arena, en ambas caras, y los ambientes interiores, sin ser determinantes para el ejercicio comparativo, mantienen dimensiones similares; por lo que el techo es el componente significativamente diferente en las viviendas.  El techo de concreto armado es una placa monolítica de 10 cm. de espesor, compuesta de cemento, arena y grava, con un armado de acero, pudiendo ser con varilla corrugada de 3/8”, o mallas electrosoldadas, para contrarrestar los refuerzos de tensión, como puede verse en la figura 4.

Por su parte la propuesta de techo alternativo Domotej, se compone de piezas prefabricadas con forma de casquete de base cuadrada de 96x96 cm., elaborada con 24.5 piezas de tabique artesanal de arcilla cocida de 2.5x12x26 cm., en contacto directo una con otra, colocadas formando una espiral y unidas con una capa de mortero cemento arena de 1 cm de espesor proporción 1:3, con un refuerzo de alambre recocido perimetral. En las figuras 5, 6 y 7 se presenta parte del proceso de fabricación de una pieza. Es importante exponer que debido a que los componentes de techo domotej son prefabricados en el suelo y en una superficie plana, no se requiere de cimbra para construir un techo con este sistema, adicionalmente no se genera residuos pues se controla el manejo de los materiales, desde la modulación de las piezas de tabique, donde la clave del casquete es la mitad de una pieza cortada específicamente, hasta la utilización racionada de cemento y arena, con dosificación controlada para la fabricación de cada pieza.

Una vez con los componentes suficientes se construyó el techo que fue evaluado térmicamente, como se aprecia en la figura 8, donde las piezas prefabricadas se apoyaron sobre vigas de metal, de perfil Mon-ten, de 2”x4” de calibre 14, con anclas metálicas de ½”, soldadas a las vigas para contrarrestar el esfuerzo cortante. Finalmente el sistema es integrado por un recubrimiento de concreto de 3 cm de espesor, medido en la cúspide de cada casquete armado con una malla de acero electrosoldada 6-6/10-10, como se aprecia en la figura 9. Cabe enfatizar que las superficies superiores de ambos sistemas de techo tienen el mismo acabado, tanto en rugosidad y color.

El equipo de mediciones:
El equipo de mediciones térmicas utilizado fue de la familia HOBO 8 para interiores y exteriores, como se aprecia en la figura 10, programado para realizar un registro continuo cada 20 segundos con promedios a cada media hora, en la primera etapa el experimento se realizó a partir del día 15 de abril, hasta el día 15 de mayo de 2006.

RESULTADOS INICIALES. En esta primera etapa del experimento se obtuvieron los registros térmicos que se muestran en la figura 11, realizados durante el día 7 de mayo de 2006 definido como típico experimental (Vecchia 1997), exponen la comparación del comportamiento térmico de los dos sistemas de techo: Domotej y de Concreto Armado. Donde se tomó como límite máximo aceptable a los 30° C, 1° C abajo de la temperatura superficial de la piel (Auliciems y Szokolay, 1997), debido a lo que se considera que cuando el techo pasa de esa temperatura, puede estar aportando calor a los habitantes de la vivienda y, por consecuencia, efectos negativos.  Los dos sistemas de techo presentaron temperaturas superficiales interiores iguales en dos momentos, a las 0:00 hrs., 32.76° C, y a las 9:30 hrs., 27.12° C. El primer momento fue cuando la temperatura superficial del techo de concreto descendió, quedando por debajo de la temperatura superficial del techo del sistema Domotej hasta por 1° C durante las 9 horas próximas, siendo hasta las 9:30 horas cuando la losa de concreto armado se calentó e igualó la temperatura interior del techo Domotej.

1. Las temperaturas superficiales de los dos sistemas de techo llegaron a 30° C, con media hora de diferencia, siendo el techo de concreto armado el que se calentó más rápido y los dos sistemas mantuvieron 8 horas con temperatura por debajo de los 30° C, con media hora de desfase, como puede observarse en las magnitudes A y B de la figura 11.Las temperaturas superficiales interiores alcanzadas por los dos sistemas de techo superan los 30° C durante 16 horas del ciclo comparado, con la diferencia de media hora entre ellos, desde las 10:30 a.m., hasta las 2:30 a.m. del siguiente día, en el caso de la losa de concreto y de las 11:00 a.m., hasta las 3:00 a.m. del día siguiente.

2. En ambos sistemas de techo se aprecia captación de energía solar, desde las 9:00 hrs. en el techo de concreto y desde las 9:30 en el caso del Domotej.

3. En la misma comparación se aprecia que los dos sistemas de techo alcanzan su temperatura máxima a las 17:00 horas, siendo el techo alternativo 3.07° C menos caliente (44.89° C), que el techo de concreto armado (47.96° C).

DISCUSIÓN. En los resultados se observaron dos variables de mayor importancia para el experimento a favor del sistema de techo Domotej: el retraso térmico de media hora y el amortiguamiento de temperatura de 3° C. El retraso térmico logrado por el sistema de techo alternativo puede atribuirse a que entre los dos sistemas de techo existe una diferencia en los materiales que los constituyen, además del volumen que es menor en el Domotej hasta en 13%. El Domotej se compone de dos materiales, mortero y ladrillos de arcilla cocida, mientras que el techo de concreto armado se compone de concreto y acero, por lo anterior el factor de conductividad térmica de los materiales es diferente, en el caso del Domotej: 0.530 W/mK para el mortero y 0.814 W/mK para el ladrillo, en el caso de concreto armado: 1.750 W/mK para el concreto y 50 W/mK para el acero (González,1997), sumado a que la geometría utilizada en el Domotej admite la colocación de los tabiques de arcilla cocida en forma de casquete, permitiendo la reducción en el volumen de mortero utilizado, por todo lo anterior se entiende que el calor radiante del exterior no penetra con la misma velocidad en los dos materiales, favoreciendo al Domotej.

Para el caso del amortiguamiento térmico de un poco más de 3° C presentado por el Domotej, también está relacionado con los materiales utilizados pues cada material tiene una capacidad diferente de almacenamiento de calor (calor específico), que al relacionarlo directamente con el volumen del techo (calor específico volumétrico), define la cantidad de calor total que es capaz de almacenar, lo que se percibe en la diferencia lograda entre los dos sistema de techo, logrando su máximo calentamiento a las 17 hrs. Con base en lo anterior y al comprobar que la ventaja térmica lograda con el techo Domotej es pequeña, tan solo de 3° C sobre el techo de concreto armado, se optó por adicionarle una capa de pasto sobre un sustrato de tierra de 10 cm. de espesor, como se muestra en las figuras 12 y 13, con lo que se construyó un techo verde, tomando como base el sistema Domotej, debido a que el techo verde experimenta una mezcla de dos efectos térmicos: sombrear la superficie con el pasto y agregar al sistema masa térmica mediante el espesor del sustrato (Vecchia, Castañeda y Quiroa, 2006).

Debido a que el Techo Verde se construyó sobre el Techo Domotej, se determinó un segundo día experimental, siendo este el 19 de mayo, con una temperatura máxima de 33.59°, apenas 1.4° C, por abajo de la media de las máximas de las normales Clmatológicas de Tuxtla Gutiérrez, por lo que dicha temperatura es común que se presente durante la época de calor, en la localidad. Con base en los datos expuestos en la figura 14, se percibe una diferencia muy amplia entre el comportamiento térmico del Techo Verde-Domotej (TVD) y el Techo de Concreto (TC), Principalmente en dos partes: la primera en las temperaturas máximas, siendo la diferencia hasta de 13.69° C. y la segunda, al comparar con el parámetro de los 30° C, se percibe que el TVD solamente pasó este límite durante 3 horas, (dimensión B), de las 16:30 a las 19:30 hrs., llegando a una temperatura máxima de 30.7° C a las 18:00 hrs., en cambio el TC, se mantiene sobre el parámetro adoptado durante 16 hrs. desde las 12:00 hasta las 4 hrs del día siguiente (dimensión A), llegando a una temperatura máxima de 44.4° C a las 18:00 hrs, manifestándose una diferencia máximas de 13.69° C a favor del TVD y de igual forma una ventaja muy significativa de 13 horas por arriba de los 30° C, sobre el TC.

CONCLUSIONES
Con base en el trabajo desarrollado se relacionan las siguientes conclusiones:

1. El techo de la vivienda de concreto armado, comúnmente utilizado en Tuxtla Gutiérrez, contribuye de manera significativa al calentamiento interior de la vivienda, principalmente por medio de calor radiante, debido a las características termofísicas de los materiales que lo constituyen (materiales pétreos y acero), su volumen y las cargas térmicas del clima cálido del contexto analizado.

2. La contribución térmica de un sistema de techo Domotej, a la temperatura interior de la vivienda en Tuxtla Gutiérrez, es menor que el que ofrece el techo de concreto armado debido a los materiales que lo conforman y al volumen de los mismos.

3. Aunque el retraso y amortiguamiento térmico logrado con el sistema de techo Domotej es conveniente por reducir su incidencia en la temperatura interior de la vivienda, lo que confirma el logro de los objetivos iniciales planteados, la ventaja lograda de 3° C no es significativa por lo que se propuso el Techo Verde-Domotej (TVD), para ampliar dicho efecto.

4. Es importante enfatizar que la propuesta de techo Domotej, es una alternativa desarrollada considerando aspectos del contexto analizado, tales como: Cultura constructiva de la población, materiales utilizados en la localidad y con precios accesibles, por lo que el Domotej es un sistema de techo factible de ser construido en una primera etapa, por un grupo social más amplio que el que construye con el concreto armado, debido al sistema constructivo de prefabricación que permite una inversión paulatina en el tiempo, sin concentrarse en un solo momento como lo exige el techo de concreto armado, por lo que con una asesoría menor, se adapta a la posibilidad de la autoconstrucción de los grupos sociales de menores ingresos.

5. El TVD se es una opción apropiada para el clima del contexto estudiado pero que se plantea como una estrategia de mejoramiento al techo Domotej totalmente factible de ser construido en una segunda etapa, sober el techo Domotej, lo que reduce la penetración de calor por el techo, y por consecuencia mejora el confort térmico de la vivienda.

RECONOCIMIENTOS. Es importante reconocer al Sistema de Investigación Interna de la Universidad Autónoma de Chiapas (SIINV-UNACH), por el financiamiento para el desarrollo del prototipo experimental, incluido en el proyecto “Construcción de vivienda Experimental con tecnología alternativa en terrenos de la Facultad de Arquitectura de la UNACH”, de su 4ª convocatoria, y al mismo tiempo citar que la evaluación térmicas a diferentes sistemas de techos y paredes de la vivienda, forma parte de investigaciones conjuntas entre Cuerpos Académicos de las Universidades: Autónoma de Chiapas, en México, y la de São Paulo, en Sao Carlos, Brasil, con la participación del Proyecto XIV.8–Casapartes, Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED).


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

• AYLLÓN, T (1996): Elementos de meteorología y climatología. México, Trillas, pp- 179

• AULICIEMS, A. & SZOKOLAY, S. V. (1999). Thermal comfort. PLEA Notes, Brisbane (Australia), PLEA: Passive and Low Energy Architecture, Department of Architecture. University of Queensland.

• CASTAÑEDA NOLASCO, GABRIEL (2005), Como un traje a la medida: propuesta de bajo costo para el techo de la vivienda de un grupo social en Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, en UN TECHO PARA VIVIR: tecnologías para la viviendas de producción social en América Latina, UPC, España, pags 543-545.

• CASTAÑEDA NOLASCO, GABRIEL, Teresa del R. Argüello M., Carlos O. Cruz S., José L. Jiménez A., (2005) et al, Evaluación del comportamiento térmico de vivienda social techada con el sistema placa losa, ubicada en el proyecto 10x10 Chiapas, de Tuxtla Gutiérrez, en memoria de la XXIX Semana Nacional de Energía Solar, México, Asociación Nacional de Energía Solar, A. C., pags. 49-54.

• GONZÁLEZ, E.(1997), Étude de matériaux et de techniques de refroidissement passif pour la conception architecturale bioclimatique em climat chaud et humide. Thèse de doctorat en Energétique de l’Ecole des Mines de Paris, France.
  INEGI, (2006), II Conteo de población y vivienda 2005, México.

• MONTEIRO, Carlos Augusto de F, (1971), Análise rítmica em Climatologia: problemas da atualidade climática e achegas para um programa de trabalho. São Paulo, Instituto de Geogr afia-IGEOG IGEOG USP, Serie Climatología No 01.
  MORILLÓN GALVEZ, David, (2003) Mapas del bioclima de la República Mexicana, en Estúdios de Arquitectura Bioclimática, Anuario 2003 Vol. V, UAM, Limusa, págs. 117-130.

• VECCHIA F. (1997), Clima e Ambiente construído. A abordagem dinâmica aplicada ao conforto humano. São Paulo, Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas (FFLCH USP). Tese de doutoramento.

• VECCHIA F, Castañeda Nolasco, Quiroa Herrera (2007), Aplicación de cubiertas verdes en climas tropicales. Ensayo experimental comparativo con techumbres convencionales, en Tecnología y Construcción 22-II, Instituto de Desarrollo Experimental de la Construcción / IDEC. Facultad de arquitectura y urbanismo Universidad Central de Venezuela, pp. 09-13. Equipo arquitectura y construcción de ARQHYS.com.