Mejora de eficiencia térmica en viviendas de Huachipa mediante el diseño de una vivienda con sistema de construcción de madera contralaminada

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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

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PLAN DE TESIS 

MEJORA DE EFICIENCIA TÉRMICA EN VIVIENDAS DE HUACHIPA MEDIANTE EL DISEÑO DE UNA VIVIENDA CON SISTEMA DE CONTRUCCIÓN DE MADERA CONTRALAMINADA  

AUTOR:        FLORES ALCÁNTARA, MAURICIO ALEXANDER

                MEZA DE LA CRUZ, DIEGO

ASESOR:        EYZAGUIRRE ACOSTA, CARLOS AUGUSTO

Lima, [día de mes de año]

Contenido

a.        TÍTULO        3

b.        INTRODUCCIÓN        3

c.        ESTADO DEL ARTE        3

d.        JUSTIFICACIÓN        3

e.        HIPÓTESIS Y OBJETIVOS        4

f.        METODOLOGÍA        4

g.        CRONOGRAMA        4

h.        PRESUPUESTO        5

i.        LIMITACIONES        6

j.        REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS        6

k.        ANEXOS        6

1. TÍTULO

Mejora de eficiencia térmica en viviendas de Huachipa mediante el diseño de una vivienda con sistema de construcción de madera contralaminada

1. INTRODUCCIÓN

Realidad problemática

Huachipa es una zona de Lima que se caracteriza por tener un clima cálido y seco, con temperaturas que pueden superar los 30°C en verano y descender a 10°C en invierno. Estas variaciones térmicas afectan el confort y la salud de las personas que viven en esta zona, así como el consumo energético y la emisión de gases de efecto invernadero.

Huachipa es una zona altamente industrial, que presenta contaminación ambiental debido a la gran concentración de actividad y desperdicios producidos por las empresas e industrias. Según un estudio realizado en la municipalidad de Lima en el año 2021, las partículas finas encontradas en el aire cuadruplican el límite establecido por la normativa para ser considerado como salubre. Mientras que las partículas gruesas halladas, superan en casi 5 veces lo establecido en la norma. La concentración de gases de efecto invernadero en el ambiente, genera un alza en la temperatura de la zona, lo que genera diversidad de problemas en la salud pública y para el medio ambiente.

Las casas en Huachipa suelen estar construidas con materiales como ladrillo, cemento, metal y vidrio, que tienen una baja capacidad de aislamiento térmico y una alta inercia térmica. Esto significa que absorben y liberan el calor con facilidad, lo que provoca que las casas se calienten demasiado durante el día y se enfríen demasiado durante la noche.

Además, las casas en Huachipa suelen tener una mala ventilación natural, debido a la falta de ventanas o a su orientación inadecuada. Esto impide que el aire circule adecuadamente y que se renueve el oxígeno y se elimine el dióxido de carbono. También favorece la acumulación de humedad, polvo, ácaros y otros agentes contaminantes que pueden causar alergias, asma y otras enfermedades respiratorias.

Para compensar los problemas térmicos en las casas en Huachipa, muchas personas recurren al uso de aparatos eléctricos como ventiladores, aires acondicionados, estufas o calentadores. Sin embargo, estos aparatos consumen mucha energía eléctrica, lo que implica un mayor gasto económico y una mayor emisión de gases de efecto invernadero.

Por lo tanto, se puede concluir que los problemas térmicos en las casas en Huachipa son una realidad problemática que requiere de soluciones integrales que mejoren la calidad de vida de las personas y el cuidado del medio ambiente.

Formulación del Problema

¿Cómo se puede mejorar el rendimiento térmico de las viviendas en Huachipa mediante un sistema constructivo no convencional que sea amigable con el medio ambiente y genere confort en los usuarios?

Se busca implementar un diseño bioclimático tomando en cuenta las condiciones climáticas locales, así como la contaminación en el ambiente de la zona con materiales sostenibles que generen bajo impacto medioambiental, generando beneficios a la población gracias al bajo costo y al confort brindados por el sistema.

1. ESTADO DEL ARTE

1. Ahmad Al-Najjar y Ambrose Dodoo(2023): “Construcción modular de varias plantas con madera contralaminada: implicaciones ambientales del ciclo de vida”. En el texto explica lo que es la construcción modular, que consiste en la prefabricación de unidades volumétricas tridimensionales de una estructura en una fábrica externa y su posterior transporte y ensamblaje en el sitio de construcción. También, describe las ventajas de la construcción modular, como la reducción de costes, tiempo y residuos, y la mejora de la calidad, la seguridad y la sostenibilidad. Además, menciona los diferentes materiales que se pueden utilizar en la construcción modular, como el acero, el hormigón y la madera, y da un ejemplo de un edificio modular de madera contralaminada (CLT). El caso de estudio  es de un edificio residencial de 3 plantas construido con unidades volumétricas de madera contralaminada (CLT) prefabricadas en Suecia. El edificio es un residencial de 3 plantas con una superficie construida total de 1440 m2 y 20 viviendas de diferentes tamaños en el condado de Estocolmo de Suecia. Presenta 41 unidades volumétricas discretas de CLT, que son elementos prefabricados de madera contralaminada con todo el mobiliario y las instalaciones interiores. El edificio tiene una cimentación de hormigón prefabricado sobre piedra triturada y capas de poliestireno.  Las paredes exteriores están aisladas con lana de roca y revestidas con placa de yeso laminado por dentro y con fibrocemento, chapa de acero o paneles de madera por fuera.  El edificio tiene ventanas de triple acristalamiento y un techo de tableros de madera con papel alquitranado. Este se transportó en camiones diésel desde una fábrica modular a unos 300 km del lugar de construcción y se montó con una grúa móvil en el sitio. En cuestión a las características eléctricas: tiene un sistema de calefacción geotérmica y un sistema de ventilación equilibrada con recuperación de calor. El edificio cumple con los criterios de casa pasiva en Suecia y supera los requisitos de la normativa nacional de construcción. El artículo muestra que los impactos ambientales del GWP, EP y AP del edificio varían significativamente según la fuente de electricidad que se asume para su funcionamiento. El texto presenta un estudio sobre el perfil ambiental del ciclo de vida de un edificio modular basado en unidades volumétricas CLT; explica cómo el perfil de producción de energía afecta los impactos ambientales del edificio, especialmente en la etapa de operación. También, analiza las etapas de producto, construcción y fin de vida, que son más relevantes cuando se usa una energía más limpia para la operación. El presente artículo propone algunas estrategias para reducir los impactos de GWP en la etapa de producto, como optimizar el uso de la madera y los sujetadores. Se concluye que se necesitan más estudios para mejorar el desempeño ambiental de los edificios modulares de CLT. Datos importantes a conocer

• El impacto ambiental total del edificio (módulos de CA) varía de 244,4 a 1558,8 kgCO2/ metro2 para los impactos GWP, según el perfil de producción de energía.
• La etapa de producto representa del 10 % al 61 % de los impactos de GWP, del 5 % al 48 % de los impactos de EP y del 19 % al 84 % de los impactos de AP, según el perfil de producción de energía.
• Se puede lograr una reducción de alrededor del 5 % de los impactos de GWP totales en la etapa de producto del edificio con configuraciones de madera optimizadas y sujetadores eficientes para las unidades volumétricas de CLT.

1. Sujit Bhandari, Mariapaola Riggio, Sina Jahedi, Erica C. Fischer, Lech Muszynsky, Zhixin Luo:"Una revisión de la construcción modular de madera contralaminada: implicaciones para viviendas temporales en áreas sísmicas"(2023). El artículo analiza el uso de la construcción modular de CLT (madera laminada cruzada) en diferentes tipos de edificios, desde el 2005 hasta el 2021. Se observa que la mayoría de los proyectos son de baja altura, con un área promedio de menos de 4000 m2 por piso. Los módulos 2D y 3D tienen dimensiones similares, entre 15 y 70 m2. La construcción modular de CLT sigue la tendencia de la industria de la construcción masiva de madera y el interés por la modularidad. La comparación de los diferentes tipos de edificios modulares de CLT es según su función, temporalidad, repetición y disposición de los módulos. Se destaca que los edificios residenciales y escolares son los más comunes, y que la mayoría son permanentes. Los módulos pueden ser secos o húmedos, y se pueden combinar de diversas formas para crear planos variados. Algunos proyectos usan solo un tipo de módulo, mientras que otros usan varios. El texto señala que tener solo unos pocos tipos de módulos únicos ayuda a optimizar el proceso general: menos componentes únicos para prefabricar en la fábrica y menos tipos únicos de elementos para ensamblar en el sitio. Por otro lado, más tipos de módulos permiten una mayor flexibilidad en la distribución y el diseño; los módulos se pueden reorganizar de diferentes maneras para proporcionar personalización según las necesidades funcionales. El tipo de módulo más adecuado depende del propósito y el contexto del proyecto. Se encuentra que la mayoría de los proyectos se localizan en Europa, donde el CLT se desarrolló inicialmente, y que se destinan principalmente a viviendas multifamiliares, lo que refleja las diferencias culturales y la madurez de la industria en esa región. Se constata que alrededor de un tercio de los proyectos se sitúan en zonas de riesgo sísmico moderado a alto, lo que demuestra la factibilidad de utilizar estructuras CLT modulares en regiones como el noroeste del Pacífico. Sin embargo, se señala que otros criterios como la simetría en planta y la regularidad en elevación son importantes para reducir las vulnerabilidades al daño sísmico y simplificar el diseño sísmico. Se resalta el potencial de los edificios modulares CLT para la respuesta rápida ante emergencias y la sostenibilidad en la construcción, ya que permiten el transporte a largas distancias, la producción fuera del sitio y la construcción en un período muy corto. Los sistemas estructurales solo de madera, especialmente los paneles de CLT, son los más utilizados en los proyectos revisados, debido a los beneficios en términos de tiempo, costo, tolerancia y sostenibilidad.
2. Liu, H., Zhang, Y., Lei, Z., Li, H. X., & Han, S. (2021). “Evaluación del efecto del cambio climático en el comportamiento higrotérmico de la envolvente de edificios de madera contralaminada con construcción modular”.En este estudio, se validó la simulación WUFI con experimentos simulados con ply-lam CLT, y se analizó el comportamiento higrotérmico de las paredes de ply-lam CLT según el tipo de aislamiento y los escenarios climáticos futuros. Partiendo de un análisis del proceso de construcción de la maqueta, la maqueta aplicada con ply-lam CLT se fabricó y montó en una fábrica, donde también se produjo el ply-lam CLT. La construcción en el sitio de la maqueta consistió en trasladar y colocar la maqueta modular completa en el lugar. Esto implica que la construcción modular con CLT está exenta de los efectos de diversas condiciones ambientales naturales. A partir de los resultados de la validación de la simulación WUFI, el CV(RMSE) de la temperatura y la HR fueron 6,43 % y 7,02 %, respectivamente, lo que indica que la predicción del comportamiento higrotérmico utilizando WUFI fue confiable. En este estudio, el problema de la humedad se evaluó mediante el análisis del contenido total de agua, el contenido de humedad del aislamiento y el riesgo de crecimiento de moho de las paredes de CLT de ply-lam según las condiciones climáticas exteriores y el tipo de aislamiento utilizando la simulación WUFI. Como resultado del análisis del contenido total de agua, se evaluó que no se presentó ningún problema de humedad a largo plazo bajo ninguna condición variable. El clima futuro aumentaría el contenido de humedad del aislamiento. Esto no solo provocaría problemas de humedad en los materiales aislantes, sino que también deterioraría el rendimiento del aislamiento térmico de la pared; esto aumentaría el consumo de energía del edificio. Finalmente, se evaluó el riesgo de crecimiento de moho en función de la humedad relativa crítica en función de la temperatura. Los resultados del crecimiento de moho en las paredes de CLT ply-lam con aislamiento de XPS, EPS y lana mineral coincidieron con los presentados en el manual CLT. Solo las paredes de CLT ply-lam con aislamiento XPS no estuvieron expuestas a los criterios de riesgo de crecimiento de moho en ninguna de las ciudades en las condiciones climáticas de 2080; sin embargo, el riesgo de crecimiento de moho aumentó con el cambio climático para todas las condiciones de aislamiento. Por lo tanto, para que el edificio CLT con construcción modular esté libre de problemas de humedad, es necesario predecir y evaluar el comportamiento higrotérmico considerando tanto la composición de la pared como las futuras condiciones climáticas del lugar de construcción.
3. Castro C..(2022), de la tesis titulada: ”Uniones para CLT en edificios de mediana altura en zonas sísmicas”, para el siguiente estado del arte:

• Tiene como objetivo determinar consideraciones de diseño y construcción para el uso de CLT en edificios de mediana altura en zonas sísmicas, tendiente a generar un manual técnico.
• El CLT es un material renovable, que captura el CO2 y tiene grandes prestaciones, pero en Chile no existe normativa que lo regule, por lo que no se puede asegurar el buen funcionamiento de una construcción de mediana altura con este material.

El autor de la tesis clasifica los diseños de uniones para CLT en tres tipos: uniones rígidas, uniones semi-rígidas y uniones flexibles. Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas, dependiendo del nivel de deformación y disipación de energía que se requiera.

El autor analiza los criterios constructivos para CLT sometido a esfuerzos sísmicos, como la configuración estructural, el sistema de arriostramiento, la continuidad de las uniones, la protección contra la humedad y el fuego, entre otros.

El autor de la tesis presenta algunos ejemplos de aplicación del método de diseño propuesto, para edificios de cuatro y seis pisos con diferentes sistemas estructurales y tipos de uniones. Los resultados muestran que el método es capaz de diseñar estructuras de CLT resistentes y eficientes para zonas sísmicas.

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