Estudio de la conductividad térmica de compuestos estructurales tipo sándwich para su uso en construcciones ubicadas en zonas expuestas a heladas

Abstract

Los compuestos tipo sándwich son compuestos estructurales que se vienen empleando en programas como el Sumaq Wasi, para la construcción de viviendas bioclimáticas en beneficio de los pobladores alto andinos que año tras año son afectados por las heladas. Sin embargo, estas construcciones carecen de un sustento técnico al no contemplar las propiedades físicas, como las propiedades térmicas que respalden su construcción bajo condiciones tan adversas como las heladas. El presente trabajo muestra el estudio realizado sobre los valores de conductividad térmica de compuestos estructurales tipo sándwich elaborados a partir de materiales usados convencionalmente en construcción, donde los resultados obtenidos pueden ser empleados como medidas referenciales que respalden las decisiones técnicas consideradas para las construcciones de estas viviendas. Los compuestos tipo sándwich constan de dos capas externas y un núcleo, los materiales seleccionados para las capas fueron el ladrillo pastelero (LP) y el drywall (DW) debido a su consistencia, y los materiales seleccionados para el núcleo fueron la lana de vidrio (PLV), la lana poliéster (ECOTERM) y el poliestireno expandido (PLEX), debido a sus propiedades térmicas aislantes. La elaboración de estos compuestos consistió en dar forma a los materiales de modo que su estructura tenga la forma de un paralelepípedo con dimensiones 15 cm x 15 cm de basa cuadrada y un espesor no mayor a 5 cm. En el estudio también se realizan pruebas independientes a cada uno de los materiales usados en la elaboración de los compuestos tipo sándwich. Siendo así, un total de 11 muestras medidas a condiciones de temperatura entre -2 °C a 2 °C en una de sus caras y entre 13 °C a 17 °C en la cara opuesta. Dichas muestras fueron, tres muestras de un solo material (DW, PLV, ECOTERM, PLEX y LP), y seis muestras estructurales tipo sándwich (DW-ECOTERM-DW, DW-PLV-DW, DW-PLEX-DW, LP-ECOTERM-LP, LP-PLV-LP y LP-PLEX-LP) De acuerdo a los resultados obtenidos los valores de las conductividades térmicas de las muestras de LP, DW, PLV, PLEX y Ecoterm fueron 0,164 ± 0,019 Wm-1°C-1, 0,140 ± 0,016 Wm-1°C-1, 0,0386 ± 0,0042 Wm-1°C-1, 0,0502 ± 0,0054 Wm-1°C-1 y 0,0513 ± 0,0058 Wm-1°C-1, respectivamente. Respecto a los compuestos tipo LP-PLEX-LP, LP-Ecoterm-LP, LP-PLV-LP, DW-Ecoterm-DW, DW-PLV-DW, y DW-PLEX-DW los valores obtenidos, para la conductividad térmica, fueron 0,0891 ± 0,0102 Wm-1°C-1, 0,0709 ± 0,0077 Wm-1°C-1, 0,0602 ± 0,0069 Wm-1°C-1, 0,0833 ± 0,0094 Wm-1°C-1, 0,0675 ± 0,0076 Wm-1°C-1 y 0,0953 ± 0,0107 Wm-1°C-1, respectivamente. Finalmente, se realizaron simulaciones de los ensayos de conductividad térmica de los compuestos tipo sándwich empleando el software COMSOL Multiphysics, a fin de comparar las temperaturas en la zona de medición obtenida experimentalmente con el de la simulación, encontrando un error por debajo del 8 % de entre estos valores.

Sandwich compounds are structural compounds that have been used in programs such as Sumaq Wasi, for the construction of bioclimatic houses for the benefit of high Andean settlers who year after year is affected by frosts. However, these constructions lack technical support as they do not consider the physical properties, such as the thermal properties that support their construction under conditions as adverse as frost. This work shows the study carried out on the thermal conductivity values of sandwich-type structural compounds made from materials conventionally used in construction, where the results obtained can be used as referential measures that support the technical decisions considered for the constructions of these houses. Sandwich composites consist of two outer layers and a core, the materials selected for the layers were pastry brick (LP) and drywall (DW) due to their consistency, and the materials selected for the core were glass wool (PLV), polyester wool (ECOTERM) and expanded polystyrene (PLEX), due to their thermal insulating properties. The elaboration of these compounds consisted of shaping the materials so that their structure has the shape of a parallelepiped with dimensions 15 cm x 15 cm of square base and a thickness no greater than 5 cm. During the study was also performed an independent measurement of each of the materials used in the preparation of sandwich-type compounds. Thus, a total of 11 samples measured at temperature conditions close to 0 °C on one side and 15 °C on the opposite side. Said samples were three samples of a single material (DW, PLV, ECOTERM, PLEX and LP), and six structural sandwich samples (DW-ECOTERM-DW, DW-PLV-DW, DW-PLEX-DW, LP ECOTERM- LP, LP-PLV-LP and LP-PLEX-LP). According to obtained results, the values of the thermal conductivities of the LP, DW, PLV, PLEX and Ecoterm samples were 0,164 ± 0,019 Wm-1°C-1, 0,140 ± 0,016 Wm-1°C-1, 0,0386 ± 0,0042 Wm-1°C-1, 0,0502 ± 0,0054 Wm-1°C-1 and 0,0513 ± 0,0058 Wm-1°C-1, respectively. Regarding the compounds type LP-PLEX-LP, LP-Ecoterm-LP, LP-PLV LP, DW-Ecoterm-DW, DW-PLV-DW, and DW-PLEX-DW, the thermal conductivity values were 0,0891 ± 0,0102 Wm-1°C-1, 0,0709 ± 0,0077 Wm-1°C-1, 0,0602 ± 0,0069 Wm-1°C-1, 0,0833 ± 0,0094 Wm-1°C-1, 0,0675 ± 0,0076 Wm-1°C-1 and 0,0953 ± 0,0107 Wm-1°C-1, respectively. Finally, simulations of the thermal conductivity analysis of the sandwich-type compounds were carried out using the COMSOL Multiphysics software. It was found out that the measuring zone temperature differed in 8% from the one obtained in the simulation.