FIZICA CONSTRUCTIILOR

Disciplina a aparut in preocuparea arhitectilor, ca urmare a necesitatii de conformare a edificiilor construite, la legile naturii (fizica pamantului, iluminare, insorire, miscarea aerului in atmosfera, conditii climatice, etc.).

Alte denumiri date disciplinei exprima noi orientari sau raspunsuri problemelor aparute: - Fizica arhitecturala

- Fizica ambientala

- Dezvoltare durabila (Sustainble Development)

- Ecologie etc.

Cauzele cresterii accentuate a interesului asupra problemelor puse de ecologie devin motivate incepand cu epoca industriala. Intrega evolutie produsa in perioada post-industriala a adus dupa sine grave dezechilibre ale ecosistemului. Arderea incompleta a unor combustibili fosili, practicata la nivelul intregii planete, in cantitati deosebit de mari, a insemnat crearea unei probleme care azi este de nestapanit: incalzirea globala . Prin arderea hidrocarburilor, in atmosfera se degaja dioxid de carbon, gaz care determina amplificarea efectului de sera.

Un prim semnal de alarma a fost criza energetica din anii '70, moment in care odata cu explozia preturilor combustibililor s-a pus in discutie problematica in termeni de ecologie. Este important a se tine cont de faptul ca noile directii de preocupare au coincis cu saltul urias produs de dezvoltarea informaticii.

Incalzirea globala are consecinte puternic resimtite in prezent pe toata suprafata globului terestru. Cresterea temperaturii in oceanul planetar implica inceperea unui proces de topire a ghetarilor, deci si cresterea volumului de apa intr-o masura considerabila. De asemenea se remarca o schimbare pronuntata a climei, fluctuatii mari intre perioade- de inundatii si seceta, furtuni, uragane,etc..

Prezervarea zonelor plantate reprezinta una dintre posibilitatile de tinere sub control a cantitatii excesive de dioxid de carbon. In acest sens, defrisarea padurilor in cantitati irationale, depaseste nivelul normal de realizare al echilibrului.

Efectul de sera, motivul principal al incalzirii globale se constituie in urma acumularii in mod excesiv in atmosfera a unui mare procent de vapori de apa si a dioxidului de carbon. Este cunoscut in fizica faptul ca anumite gaze sunt opace respectiv transparente la razele luminoase sau infrarosii. Energia termica se acumuleaza in concluzie daorita faptului ca radiatiile infrarosii raman captive in stratul de ozon.

CONSUMUL de energie se datoreaza urmatoarelor functiuni: transport, industrie, cladiri cu functiuni civile. Cele din urma realizeaza un consum cumulat aproximativ egal cu energia utilizata de celelalte doua, directia generala fiind de reducere chiar in mod reglementat a consumului de energie.

De aici a aparut ideea proiectarii compatibile ecologic. Un prim specialist care a inteles valentele energiei naturale, aplicandu-le in mod practic a fost inginerul Buckminster Fuller, cel care a cercetat pentru intaia oara principiul casei autosuficiente. De aici a mai fost un singur pas pentru specialisti spre intelegerea si punerea in aplicare a calitatilor mediului natural, pe baza legilor fizice. Efectul s-a materializat prin directiile generale spre care se orienteaza astazi arhitectura:

- arhitectura solara

- arhitectura inteligenta

- arhitectura bioclimatica

- arhitectura verde (green architecture)

- (low energy architecture),

toate aceste denumiri exprimandu-se printr-o abordare complexa, obiectul de arhitectura fiind perceput ca un "organism viu".

Arhitectura verde exprima spre exemplu un mod de trai al cladirii din resurse regenerabile asemeni plantelor care se hranesc din energia existenta pe pamant.(un adept al acestei abordari este arhitectul Brian Edwards).

Arhitectura solara se bazeaza pe utilizarea energiei provenite de la soare ca energie libera, neconventionale.

Daca primele utopii referitoare la viitoarele abordari ale arhitecturi vizau utilizarea tehnologiei la maximum (crearea unui mediu total artificial), directiile preluate astazi sunt de multe ori total opuse, bazandu-se pe calitatile mediului natural:

- orientare cardinala;

- sera orientata spre Sud (iarna inchisa- tampon termic cu calitati calorice

importante; vara deschisa pentru activarea ventilatiei);

- utilizarea pe fatade a celulelor fotovoltaice pentru captarea energiei;

- compartimentari permeabile la vapori; (Este de dorit ca o constructie sa "respire", adica sa fie permisa difuzia vaporilor de apa prin plinurile fatadei -excluzand suprafetele de sticla- astfel incat sa se creeze in mod natural echilibrul intre exterior si interior.)

Trei factori contribuie la conformarea constructiilor, in scopul satisfacerii conditiilor de ambianta si confort corespunzator:

- cerintele utilizatorului;

- protejarea mediului (fara impact nociv);

- durabilitatea constructiei in sine;

In lumea civilizata respectarea primelor doua aspecte este obligatorie. Spre exemplu protocolul de la Kioto a avut drept scop reducerea emisiilor de bioxid de carbon la nivel mondial. S.U.A, unul dintre cei mai importanti poluatori ai globului pamantesc, nu a semnat tratatul.

Daca in perioadele industriala si moderna se puneau (in mod special in cazul zgarie-norilor) probleme de insorire si ventilatie artificiala, astazi directia ecologica este cea care deschide tot mai mult interesul arhitectilor si beneficiarilor.

CRITERII DE CONTROL AMBIENTAL

Inca de la Vitruviu se cunosc cele trei atribute ce caracterizeaza orice edificiu: firmitas- soliditate; utilitas- utilitate(functiune); venustas- frumusete.

Obiectul de arhitectura, inainte de toate detine functiunea de adapost avand un important rol in controlul schimburilor dintre om - spatiu exterior - spatiu interior.

Transferul in cauza reprezinta un flux de energie ce parcurge o unitate de suprafata intr-o cantitate de timp.

In Fizica constructiilor se aplica si se conformeaza spatiile, functie de Legea termodinamicii - caldura se ridica in partea superioara a spatiilor conform legilor si Legea conservarii energiei - masa substantelor care intra intr-o reactie este egala cu cea a substantelor care ies din reactia respectiva

Sisteme a caror utilizare se bazeaza pe calitatile mediului natural:

o       Fatadele duble - datorita pretului foarte ridicat acestea sunt utilizate la alte tipuri de functiuni decat cea de locuire;

o       Elemente de captare heliotermice/ fotovoltaice

- transformarea luminii (foto) in energie electrica (voltaic);

- transformarea radiatiei solare (helios) in caldura (termos);

o       Control selectiv al schimburilor termice- vara incalzirea activeaza schimbul de aer (fig. 1);

o       Efectul de horn- cu cat acesta este mai inalt, tirajul se dovedeste mai eficient;

o       Sisteme de control a luminii si insoririi;

ENERGIA poate fi: - mecanica;    fig. 1

- cinetica; se manifesta in

- potentiala; substanta

- chimica;

- radianta (lumina, infrarosii) -se manifesta in afara substantei

Teoria crepusculara

Lumina reprezinta transportul de energie sub forma de radiatie .

Exista radiatii cosmice, de exemplu ultravioletele, care nu ajung in cantitati mari pe pamant, fiind captate de stratul de ozon.

Lumina se transforma in caldura, datorita cresterii agitatiei dintre molecule, rezultand energia termica.

Energia electrica reprezinta miscari ale electronilor din atomi.

Fig.2

Cai de migratie ale caldurii:

Caldura se poate misca in spatiu prin:

- radiatie

- convectie- tendinte de dilatare la caldura si de ridicare la partea superioara a spatiilor;

- conductie- deplasare prin substanta.

Fluxurile de energie depind de anumite particularitati ale subtantei, ale ambientului si ale materialelor de constructie.

Caile prin care se asigura circulatia aerului

Transmisia caldura ajunge in spatiile interioare prin radiatie si convectie;

- de pe fata exterioara a fatadei caldura migreaza catre exterior prin radiatie si convectie.

O constructie ar trebui sa reduca la minim fluxurile de energie intre interior si exterior. Constructia vernaculara este una dintre realizarile care indeplineste toate cerintele de conformare la factorii de mediu (de exemplu- igluul). Perioadele industriala si moderna au constituit momente in care s-a neglijat in favoarea unei functionalitati corecte orice alt criteriu de conformare al constructiilor.

In cadrul studiilor de fizica constructiilor se vor evidentia atat caracteristici fizice ale materialelor( porozitate, textura, senzatii de cald- rece), cat si calitatile subiective( densitate, conductibilitate termica).

Transferul termic este favorizat in partea superioara a incintei. In cadrul unui solid nu se poate considera un sens convectiv, in fluid, in schimb, se vor produce miscari in acest sens.

Din punct de vedere al trasmisiei de caldura materialele se clasifica in: calde si reci, comportare determinata numeric prin densitate. Cu cat substanta este mai densa, cu atat se va manifesta asemenea unui material rece.

Coeficienti si variabile de material utilizati in calculele termice:

- ρ[kg/ dm³]- densitatea materialului;

- l- coeficientul de conductivitate termica;

Coeficientul masoara intensitatea fluxului termic, ce trece printr-o substanta groasa de 1m, avand o suprafata de 1 m², in timp de o ora.

Un gradient termic masoara nivelul agitatiei moleculare. Fig.3

O calorie- reprezinta o cantitate de caldura necesara pentru a ridica temperatura unui gram de apa cu 1C.

In cazul in care avem trei vase cu apa la temperaturi diferite, doua extreme- unul cu apa calda si unul cu rece si tinem cate o mana in fiecare, vom constata ca senzatiile se uniformizeaza. Introducand ambele maini in vasul al carui lichid are temperatura intermediara, vom simti o senzatie de cald in mana ce a fost tinuta in apa rece si invers. Acest fenomen tine de fluxurile termice din mediu.

Se remarca un comportament diferit al substantelor solide fata de transferul termic- ce se realizeaza prin transmiterea din aproape in aproape a miscarii, a agitatiei moleculare.

Materialele de constructie au o compozitie complexa. In cazul unui perete se desfasoara un transfer termic prin conductie.

Caldura specifica -C, reprezinta caldura necesara pentru a ridica temperatura unei cantitati de substanta cu 1C.

Incalzindu-se 1 litru de apa cu cate 1C, se absoarbe cate o calorie. Se observa ca inmagazineaza energia termica fara a-si modifica temperatura. Acelasi fenomen se petrece si la vaporii care condenseaza.

Caldura latenta reprezinta cantitatea de caldura inmagazinata in substanta, in legatura cu starea de agregare, fara diferente de temperatura.

Caldura latenta a apei este de 600 kcal/ 1 kg, iar pentru a se evapora cu totul are nevoie de o cantitate de caldura de 6 ori mai mare.

Importanta caldurii latente a apei in fenomenele climatice

Apa ne ajuta sa ne racorim prin respiratie si transpiratie, ne putem reduce temperatura, prin evaporare pe toata suprafata corpului.

In cazul unei calduri latente foarte mare apar schimbari frecvente, de la lichid, la vapori si invers.

Cand ploua sau cand ninge este relativ cald

Clima este mai uniforma in zonele de litoral, decat in cele continentale, pentru ca apa isi schimba continutul de caldura si prin convectie.

In perioada actuala se discuta despre eco- tech, high- tech, urmarindu-se in realizarea lucrarilor de arhitectura, raportul optim scop- rezultat. Low- tech, apare ca notiune din cele mai vechi timpuri, fara a desemna un mijloc scazut al conceptiei asupra constructiei.

Orice parte a unei substante solide, omogene, compacte, de o anumita grosime, prezinta un coeficient de conductivitate termica: k=l/d, unde k-reprezinta o caracteristica de substanta, iar d- dimensiune( grosime- masurata in metri). l se regaseste in documentatii si ca- transmitivitate termica a unui strat de o anumita grosime.

R- reprezinta rezistenta la transfer termic al unui strat de substanta omogena si compacta, avand unele caracteristici: R= 1= d

k l

Aerul genereaza un schimb convectiv. In cadrul unei substante compacte, omogene caderea de caldura este unitara. Iarna se realizeaza un schimb convectiv intens. Intre noapte si zi se produce un schimb radiativ- in a doua parte a zilei interactiunea cu spatiul cosmic se accelereaza.

Nu cantitatea de caldura ce intra in procesele fizice se reprezinta in diagrame, ci fluxul de caldura. Fig.4

In cazul unei aceleiasi substante, regasita in doua alcatuiri cu grosimi diferite- valorile termice din campuri si unghiul pantei sunt echivalente.

Marimi utilizate: ti- temperatura campurilor, θi- temperatura fetelor, Δθi- diferenta de temperatura a campurilor interior si exterior.

Daca diferenta de temperatura interior- exterior este mare inseamna ca θi este mai apropiata de temperatura necesara asigurarii confortului termic, iar θe- de mediul ambient. Omul va avea in aceasta situatie senzatia de cald.

In cazul in care valoarea ti este constanta, se va utiliza o sursa intensa(o flacara substantiala) pentru a asigura aportul termic, de asemenea peretele de fatada trebuie ingrosat.

Fig. 5

Factori pentru fatade cu alcatuire omogena

Materialele posibile pentru alcatuirea unor fatade omogene si compacte sunt: lemnul, pamantul, zidaria de caramida, piatra, betonul, corpuri ceramice cu goluri, e.t.c. Se pot utiliza de la betoane compacte la betoane poroase.

Punctul de inghet

Se considera ca in cazul unei temperaturi exterioare de -15, in interior sa se stabileasca +20C, valoarea de 0C reprezentand- punctul de inghet.

Daca exista umiditate in zona unei anvelopante realizata dintr-o structura poroasa, relativ casanta, se mareste volumul, fapt ce va duce la distrugerea configuratiei. In astfel de cazuri, alcatuirea trebuie sa contina o cantitate cat mai mica de apa.

S-au emis diverse ipoteze, de catre savanti despre fenomene ce pot avea loc intr-o fractiune teoretica- timp minim.

Ipoteza regimului termic stationar presupune ca valorile termice nu se pot schimba intr-un interval de timp. Se supradimensioneaza elementele fatadei, rezultand variatii ale campului.

Ipoteza constantei termice se refera la constanta campurilor- valorile termice intre cele doua campuri raman constante.

Ipoteza constantei fluxului de caldura: se presupune un flux de caldura dinspre fata interioara spre interior, unul dinspre fata exterioara catre exterior si unul stationar. In realitate este un singur flux, ce se poate masura prin bilantul termic.

Factorii confortului termic( higrotermic)

Asigurarea confortului termic tine de cunoasterea fenomenelor legate de umiditate, temperatura, viteza, regim radiativ.

Temperatura aerului ambiant

In conditii de activitate redusa se asigura o temperatura favorabila organismului uman. In cazul unei activitati mai intense, emisia caldurii din corp este mai mare, iar temperatura ambianta scade. Daca este ridicata apare fenomenul de transpiratie.

Umiditatea

Caldura latenta reprezinta umiditatea in limite vizibile.

Cand umiditatea ambianta este mare, cand organismul simte senzatia de cald, apare pe suprafata pielii transpiratia.

In cazul pierderii de caldura de catre corp, trebuie asigurata umiditatea necesara a aerului din interiorul plamanilor. Fenomenul desfasurat in corpul uman prezinta urmatoarele faze: aerul este umidificat pana ajunge in alveole, se produce vaporizarea in corp, apa din tesuturi este racita, rezultand pierderi de caldura catre exterior.

Daca umiditatea este mai redusa, se resimte mai putin de catre organism.

Aceste fenomene explica senzatia de sete pe care o manifestam cand este ger.

Aerul cald poate contine o cantitate mai mare de vapori, decat aerul rece.

Exista solutii cu proprietati diferite de suma proprietatilor celor doua componente: spre exemplu apa si alcoolul- lichide cu densitati diferite-nu se mai separa deoarece prezinta legaturi moleculare.

Deci, aerul rece si uscat prezinta mai putina umiditate decat cel cald; in urma acestei teorii s-a evaluat ca Antarctica este cel mai uscat desert.

Fenomene pe termen scurt si mediu

Daca temperatura este redusa, rezulta o cantitate mai mare de aer, care usuca plamanii.

Umiditatea ambianta trebuie sa se integreze intre limitele determinate de asigurarea confortului.

Viteza aerului- reprezinta un parametru ce influenteaza in mod direct, proportional, schimbul de aer din convectie.

Un alt parametru care influenteaza confortul termic este regimul radiativ ambiant. Chiar daca este frig, senzatia de rece este atenuata in cazul expunerii la soare. In spatii inchise se utilizeaza aparate de incalzire prin radiatie- cel mai eficient este radiatorul electric. Aerul se va incalzi doar prin radiatia receptata, emisa de corpurile din incapere.

Sistemul de incalzire prin radiatie este rapid si pentru spatii deschise.

Calitatile suprafetelor ambiante

Materialele se impart din punct de vedere al senzatiei termice in calde si reci.

Cele calde prezinta in general densitate mica si coeficient de conductivitate mic, cele reci au atat densitate mare cat si conductivitate mare.

Daca o suprafata delimiteaza substante calde, temperatura fetei interioare nu va depasi temperatura aerului interior, care nu este diferit de corp.

Daca sunt materiale ce marginesc suprafete calde , acestea absorb mai putina caldura.

Un material dens capteaza multa caldura, fapt pentru care interiorul unui spatiu nu ar trebui tratat in acest fel, fara o justificare intemeiata.

Suprafete arhitecturale

Arhitectura interbelica abstractizeaza modenatura clasica .

Posrmodernismul- reprezinta etapa in care apar elemente de animatie ale arhitecturii ce tin atat de protectia climatica, cat si de expresia in timp- de patina.

Diagnosticarea acestui element, in cazul unei cladiri neprezervate, nu se face usor.

Paramentele s-au realizat din piatra artificiala- mortar- liant hidraulic si praf din granule de marmura, sau din piatra buciardata, nepolizata.

Degradarile si exfolierile apar cand suprafata este mai putin permeabila la vapori decat substratul. In Venetia se intrevad portiuni de crusta neagra pe intrados, unde nu bate ploaia. Vehicolul unor astfel de factori de degradare este apa, iar motorul- diferentele de presiune ale vaporilor si temperaturii.

Ceata reprezinta un factor climatic format din vapori de apa, ce duc in suspensie grasimi, oxizi, particule de fum, substante ce contin: sulf, praf, nitrati. Particulele de ceata ajung pe intrados, se lipesc, ceata se risipeste, apa se evapora si se acumuleaza pe suprafata pe care nu bate ploaia.

Modenatura este o forma de subliniere a expresiei plastice si de control, un rezultat al modului in care evolueaza reliefurile unei fatade.

Variatia temperaturii intr-o alcatuire neomogena

Pentru calculul umiditatii se considera : pv-presiunea partiala- parte din presiunea totala, in care exista un numar de vapori, presiune ce depinde si de altitudine. Cu cat presiunea vaporilor este mai mare, cu atat cea a aerului este mai mica.

Presiunea de saturatie- reprezinta presiunea partiala maxima, ce poate exista la o temperatura data. Aerul contine in amestec o cantitate de vapori si doar atat, restul condenseaza. Fenomenul se poate vizualiza cand peretii unui pahar cu apa rece se aburesc din cauza excesului de umiditate.

Daca aerul relativ mai cald, incarcat cu vapori se raceste brusc, acestia condenseaza.

Fig.6

Condensul in alcatuirile elementelor de arhitectura

Condensul nu este un dusman, ci un fenomen al naturii.

Variatia presiunii de saturatie este o notiune diferita de variatia temperaturii. Daca temperatura are un traseu liniar, presiunea de saturatie se poate reprezenta printr-o curba. Astfel de valori se pot determina in regim higro-termic stationar.

Daca in grafic curba de saturatie este reprezentata deasupra liniei drepte, in alcatuire nu este condens. Daca cele doua sunt tangente, punctul de intersectie este punct de roua( de condens). In al treilea caz- curba presiunii de saturatie sub linia temperaturii- se inregistreaza condens pe toata suprafata delimitata de cele doua figuri geometrice.

Daca avem o structura din mortar si caramida, apa care devine inmagazinata in pori sparge structura materialului.

La o temperatura de +20C, umiditatea variaza intre 50- 60%( in 60% umiditate relativa exista mai multi vapori). Aerul cald contine mai multi vapori decat aerul rece.

Dintre materialele eficiente termic- corpurile ceramice cu goluri, determina un perete gros, care nu poate fi portant decat pe 1, 2 niveluri. Alcatuirile complexe cu termoizolatie eficienta- 6, 8 cm de vata minerala sau polistiren, au o rezistenta termica de peste 10 ori mai buna decat zidaria de 37,5 cm.

La orice cladire trebuie asigurata permeabilitatea la vapori spre exterior, pentru a nu se realiza acumulari de umiditate.

Cel mai bun izolant termic este aerul.

Polistirenul este un material impermeabil la vapori- un material cu porii inchisi.

Efectul acestuia, intr-o utilizare pe exteriorul unei constructii este cel al unei pungi de plastic, in care se acumuleaza vapori, ciuperci. Materialul se poate folosi intre doua ziduri din corpuri ceramice cu goluri, lasate aparente la exterior. fig.7

Un alt izolant termic bun este izoprenul.

Suprafetele continui pe exterior necesita finisaje umede.

Finisajele uscate sunt in general prefabricate si independente de factorii de mediu.

Pentru a preveni acumularea umiditatii pe fatada este indicata o alcatuire cu strat de aer ventilat.

Se poate asigura permeabilitatea si izolatia termica cu vata minerala- roca artificiala, creata din fibre, care se dispune doar pe partile exterioare.

Alte materiale folosite pentru paramente

piatra, blocuri de ciment, beton, caramida, email, lemn;

metal, metal emailat, tabla cutata;

sticle combinate, sticla serigrafiata.

Fatadele care "respira" permit difuzia vaporilor. Daca acest fenomen nu se produce, acumularea de umiditate din spatiul interior genereaza inconfort termic.

Daca vaporii ajung in alcatuire, apar situatii neplacute- umiditate stagnanta, mucegai, ce poate favoriza boli si alergii.

Daca variatia temperaturii e omogena, cea a presiunii este o curba, pentru simplificare se iau in calcul valorile extreme- valorile presiunii de saturatie.

Variatia presiunii de saturatie nu este proportionala cu variatia temperaturii. Din grafic se poate determina zona de condens. In regim termic real, iarna nu se inregistreaza doar valori sub 0C ale temperaturii, astfel incat punctual de inghet poate sa intre sau sa iasa din zid. Daca se afla in interiorul stratului termoizolant, inseamana ca a fost realizat dintr-un material permeabil la vapori.

Termoizolatii etanse, impermeabile sau greu permeabile la vapori se utilizeaza pentru constructii usoare, ieftine- de exemplu o hala industriala- in care se va realiza o ventilare mecanica.

In cazul in care cladirile au alta destinatie( locuinte, birouri), o structura din caramida se izoleaza cu vata minerala. In proiectarea acestor detalii se va avea in vedere continuitatea stratului izolant, orice intrerupere generand punti termice. Se foloseste mai putin vata de sticla.

Ro = Ri + ΣR1i + Re

Fig.8,9

Pentru asigurarea confortului termic se urmareste ca diferenta de temperatura de pe cele doua fete ale materialului sa nu fie foarte mare.

Termoizolatia trebuie sa ajunga in dreptul tamplariei(de preferabil din lemn stratificat, cu rupere de punte termica). Pentru etansare se injecteaza spuma poliuretanica sau chit permanent elastic.

Peste placile de vata minerala rigida, se poate tencui. In acest caz nu va mai exista stratul de aer ventilat, ci se asigura difuzia prin mortarul tencuielii, in cazul in care acesta nu este greu permeabil la vapori.

Daca scade rezistenta termica, se amplifica fluxul termic, de aceea se va supradimensiona termoizolatia. Vata minerala este inerta la umezeala, agenti chimici, biologici

Fig. 10 Fig. 11

Fig. 12 Fig. 13

Criterii pentru fatade

O casa poate pierde/ acumula caldura prin transmisie si schimb de aer. Prin suprafata anvelopei trece caldura in functie de rezistentele termice- plinuri de fatada, ferestre.

Scheme ipotetice simplificate: Evaluarea componentei termice pornind de la o suma a componentelor termice prin anvelopanta

Protectia termica trebuie sa fie cat mai continua- o componenta spatiala in ansamblul sau.

Se asigura un schimb de aer controlabil prin goluri- usi si ferestre - prevazute cu un grad mare de etanseitate. Ventilarea se produce astfel, doar prin deschideri.

Fig. 14

Fig. 15

Sistemul de control al luminii naturale si al insoririi, pentru celula de cazare este conceput pentru a diminua efectul de sera si a ambienta incintele. Pentru aceasta se prevad jaluzele, perdele de aer, panouri cu balamale, obloane pline sau cu voleti( ficsi sau reglabili). In cazul in care se prevede izolatia termica la exterior, sticla rece va fi la contactul direct cu incaperea. Acest dezavantaj poate fi inlaturat prin prevederea unei suprafete calde la interior- draperia. Vitrajele pot fi realizate din materiale termoizolante transparente, translucide, mobile, folii de policarbonat celular.

Repartitia elementelor cu masa si a elementelor termoizolante intr-o anvelopa

In cazul realizarii unei anvelopante omogene- de exemplu o zidarie de corpuri ceramice cu goluri, avand ~ 40 cm grosime, exista atat dezavantajul consumului de spatiu, cat si al aparitiei puntilor termice.

O casa batraneasca din zidarie groasa, sau pereti din lemn, reprezinta o componenta termica buna (fig.16-1). Se renunta la zidaria de caramida odata cu aparitia materialelor termoizolante usoare.

In cazul dispunerii la exterior a izolatiei, peste o suprafata din beton- material masiv, dens, la interior va predomina senzatia de rece (fig.16-2). Tendinta de a egaliza nivelurile termice ale elementelor masive , cu ale temperaturii interioare, va conduce la o inertie termica defavorabila. Chiar daca betonul, mortarul de ciment, otelul au coeficient de dilatatie termica apropiata, in timp fisureaza.

Fatadele care respira prezinta suprafete calde la interior (fig.16-3), cu inertie termica favorabila. Blocurile din panouri mari sunt un prost izolant termic din cauza discontinuitatii. La constructiile cu fatade din beton se va tine cont de protectia contra puntilor termice. Se pot prevedea sisteme de incalzire flexibile- la locuinte realizate din panouri de beton, s-a prevazut la interior izolatie din polistiren, finisata cu tapet.

Cazul ideal dar implicit ipotetic este acela in care elementul cu masa (casa propriuzisa) se gaseste intr-un mediu perfect izolat termic (fig.16-4). Este un caz cu inertie termica favorabila, putandu-se spune ca avem de-a face cu o casa difuzanta. Intre doua vitraje se pot dispune folii subtiri-perne cu aer (Eden Project), policarbonat. Toate elementele de compartimentare se sustin de o structura supla din metal.

Fig.16

"Casa batraneasca" reprezinta constructia inteligenta ce are atat capacitate de adaptare, cat si de raspuns.

In zona cu clima temperata constituie imbinarea realizabila intre: efort, resurse, performanta. Din punct de vedere al configuratiei structurale se remarca folosirea unui sistem mixt de lemn si pamant uscat, atat pentru pereti cat si pentru pardoseala. Podul reprezinta un tampon termic, fumul obisnuind sa stagneze acolo, impregnand astfel invelitoarea si dand un plus de rezistenta sarpantei.

Fig. 17

Evaluarea inertiei termice

Cea mai mare inertie termica se inregistreaza in padurea ecuatoriala, unde vegetatia reprezinta un ecran solar, iar cele mai mari variatii de temperatura- in zona desertica, minima termica se aproximeaza pe la 3-4 dimineata.

Atenuarea apare daca suprafetele exterioare nu sunt expuse excesiv la soare.

Cazul ideal termic ar fi acela al unei constructii fara ferestre, cu pereti grosi de 7 metri din beton armat.

Fig. 18

Controlul insoririi

Lumina naturala in arhitectura

Ridicarea problemelor de ordin ecologic, de care devin constienti tot mai multi membrii ai societatii, atesta existenta unui public avizat.

Controlul luminii naturale se refera atat la evitarea insoririi excesive- vara, cat si la utilizarea energiei solare- prin aport direct, cand este frig.

Post- modernismul utilizeaza vocabularul formal de inspiratie istorica, elemente de limbaj formal ce exprima sisteme constructive, climatice, de finisaj. Unele se indeparteaza de antichitatea clasica.

Configuratia de arhitectura analizeaza din punct de vedere al controlului solar, intreg bagajul de elemente, de la detaliu la ansamblu.

Mecanisme de interventie ale factorilor de mediu

Cornisele, ancadramentele, balcoanele, porticele, ofera intradosuri pe care se aseaza umbra. Toate aceste componente au fost folosite pentru a sublinia expresia fatadelor, pentru o perioada limitata de timp, intrucat factorii de mediu actioneaza defavorabil asupra oricarei constructii.

Obiectele de arhitectura contemporana utilizeaza un limbaj abstract, forme elementare, inspirate din natura sau istorie.

Elemente de protectie climatica, control solar, ambiental

La sfarsitul anilor '60 se utilizeaza parasolare din beton armat. Intre anii '30- '70 au fost la moda parasolarele din materiale compacte. Odata cu perioada anilor '80, ce coincide cu posibilitatea de utilizare a materialelor inoxidabile, se vor intalni doar parasolare din metal.

Elemente prealabile de conformare pentru protectia climatica

In cazul climei calde si umede, variatiile de temperatura anuala, zi- noapte nu sunt importante, de aceea se intalnesc constructii usoare, protejate pe cel putin trei laturi, ce se deschid- se ventileaza- pe toate partile. In aceste conditii sistemul de racorire al organismului functioneaza greu, se resimte un strat de aer suprasaturat.

Apa exista in mediu, in structura vegetatiei, padurea ecuatoriala reprezinta o umbrela (este cald si umed).

Variatiile zi- noapte pentru clima calda si uscata sunt ample. Clima oceanica, blanda, are o capacitate termica mai mare decat masele de uscat. In clima uscata, cerul este "foarte albastru", regimul termic depinde de cel de insorire. Astfel se explica constructiile masive cu atrium, care acumuleaza ziua caldura si o cedeaza noaptea. In perioada diurna se produc migratii de pe terasa in subsol. Cerul senin asimileaza caldura prin radiatie.

Din diagramele de confort higrotermic rezulta ca temperatura de 26- 27C, reprezinta limita superioara de confort. Aceasta limita creste odata cu amplificarea vitezei aerului

Diagramele de temperatura medii, anuale si locale, se configureaza in urma inregistrarilor facute ora de ora intr-un anumit loc.

Vitrajele protejeaza direct contra razelor solare. Daca lumina naturala intra in incapere, se va incalzi prin efect de sera. Cand este frig intereseaza aportul solar. Valorile temperaturii intre 20- 25C se considera limitele de confort. Sub 20C se incearca crearea unui sistem direct de insorire.

Miscarea reala a Pamantului si a Soarelui

Axa de rotatie a Pamantului prezinta o inclinatie de aproximativ 22- 23 fata de normala pe planul elipticei. S-a inregistrat o variatie a acestui unghi de-a lungul istoriei. Daca nu s-ar roti Pamantul nu ar exista anotimpurile.

La solstitiu de iarna emisferele se incalzesc mai putin, la echinoctiu se remarca o insorire egala a emisferelor.Unghiul dintre axa centrelor- raza soarelui in centru, este de 90 la echinoctiu.

La planeta Neptun axa polilor este in planul orbitei, jumatate din an Polul Nord este ca la Ecuator, deoarece nu este semnificativa variatia distantei spre soare.

Daca la noi este vara, soarele se gaseste in cealalta emisfera.

Pamantul prezinta o miscare de dublu con, cu originea in centrul planetei. Pentru orice determinare se remarca imprecizia mecanicii cosmice, prezentand miscari de abatere, generate de influenta lunii.    Fig. 19

Orbita aparenta a soarelui

Bolta cereasca reprezinta o emisfera deasupra planetei, un sistem de referinta. Daca am considera un centru, un punct de observatie, pe un plan orizontal- orizontul- soarele defineste o miscare aparenta, ca proiectia pe bolta a traseului sau real, situatie transpusa grafic, ca arce de cerc, reprezentate de capat.

Universul este aparent in diverse locuri, la diverse altitudini.

Orizontul reprezinta perpendiculara pe verticala locului, acesta poate fi un plan. Se considera ca limita Pamantului este la nivelul orizontului. Planul acestuia este definit la inaltimea punctului de observatie.

Pe sfera (considerata forma planetei) se prezinta pozitiile soarelui. Axa polilor este perpendiculara pe raza de soare, la ora 12. Cand centrul Pamantului si raza soarelui sunt in acelasi punct- se defineste meridianul ceresc- ora 12 solar( ora diferita de cea oficiala). Vara, spre exemplu, ziua este mai lunga, punctul de intersectie se stabileste in aceasta perioada cu doua ore mai devreme.

Pentru lumea araba, sau oamenii desertului cerul este privit ca un tavan. Axa lumii este definita de Steaua Polara(singura stea fixa) si de Crucea Sudului.

Orbitele aparente sunt determinate de axele de rotatie, cercuri reprezentate pe un plan. In timpul anului se parcurge o zona sferica de doua ori.

Soarele bate sub unghiul de 22 - 12 ore pe zi fiind lumina clara. Pe teritoriul tarii noastre, inaltimea maxima a soarelui este de 45 la echinoctiu si de 23 la solstitiu- ziua cea mai scurta. Vara este la 68, deci ziua dureaza mai mult.    Fig.20

Fig. 21 Fig. 22

La Poli axa aparenta a lumii coincide cu axa polilor, regimul de insorire este aici intens. Se inregistreaza fenomenul de crepuscul, deoarece, intr-o jumatate a anului este zi si in alta este noapte. Orice topire semnificativa a ghetarilor, modifica clima globului si ridica nivelul marilor.

Tropicul coincide cu declinatia Pamantului. Soarele trece prin zenit la solstitiul de iarna.

Cand orbita aparenta este perpendiculara pe planul orizontului, aceasta are valoare maxima.

Sfera virtuala pe care se proiecteaza universul aparent

Intre prima si a doua jumatate a anului, intre solstitiu si echinoctiu, miscarea, inclinatia axei este influentata astfel incat, unghiul pe care raza soarelui il face cu axa polilor variaza de la o valoare medie la una minima- de la 90 la echinoctiu, la 22- 23. Aceasta se datoreaza miscarii de revolutie a Pamantului, care se prezinta intr-o diagrama de timp si spatiu, ca o translatie pe un cerc. Aceasta miscare circulara se produce cu viteza constanta de-a lungul unei sinusoide. Diversele puncte de pe traiectorie reprezinta pozitii intermediare ale orbitelor. Fig. 23

Se inregistreaza fragmente de arce de cerc: un semicerc la echinoctiu- la ecuator, fragmente mai mici de jumatate de cerc iarna, mai mari vara si cercuri complete la poli.

Determinarea pozitiei intermediare a soarelui

Fig. 24

Se rabate un cerc, se determina zone de la orbita Pamantului in jurul Soarelui( aceste trasari nu reprezinta lunile anului, deoarece calendarul tine seama de miscarile lunii).

Zodiile reprezinta constelatii vazute pe ecuator, situate la unghiuri egale. Lunile din calendar sunt considerate egale intre ele. Se realizeaza reforma calendarului. Zodiile au avantajul de a imparti anul real, solar, in parti egale.

Constructia grafica se contureaza pornind de la linii de ordine din puncte egale- sunt momentele ce separa zodiile. Se poate determina orbita in zona aceea si implicit un control al insoririi. In lunile de iarna, pana la zodia urmatoare, variatia inaltimii soarelui este foarte mica. Incepand cu 22 ianuarie inaltimea soarelui creste, spatiul dintre orbite este mai mare. Si in miezul verii variatia acestei inaltimi este foarte lenta.

Din punct de vedere al aportului de energie solara, se constata ca soarele sta mult pe bolta, primavara si toamna incep sa dispara.

Se reprezinta intr-o sectiune verticala printr-un plan al locului, bolta turtindu-se pe planul orizontului.

Prima proiectie- paralela si ortogonala (fig. 25)

Se marcheaza cercuri de inaltime egala pe bolta, cele din vecinatatea orizontului sunt mai dese, ca si cele din cheia boltii. In acest caz se realizeaza o proiectie stereografica( stereo- spatiu), ce prezinta deformatii mari pe suprafata si care se analizeaza prin conventii ce au la baza algebra si geometria.

Al doilea sistem- Proiectia centrala (fig. 26)

Se proiecteaza bolta pe o suprafata plana, se defineste o suprafata cu dubla curbura, care nu se poate desfasura intr-un singur plan. Si aceasta metoda prezinta deformatii considerabile.

A treia proiectie (fig. 27)

Cercurile cu inaltime egala, apropiate de zona dinspre orizont, se indesesc catre bolta. Aceste reprezentari ale soarelui se numesc diagrame. Cele pe suprafete plane reprezinta proiectii ale boltii pe planul orizontului. Traseele fiecarei zodii definesc coordonate pe diagrama. Se pot citi inaltimile soarelui ce corespund lunilor si orelor calendaristice: de exemplu in ianuarie, intre orele 10- 12 soarele este la 5.

Fig. 25 Fig. 26 Fig. 27

Azimutul este primul unghi in plan orizontal, se gaseste intre 40-45 V.

Efemeridele sunt tabele pentru navigatori. Pornind de la latitudine se determina unghiul dintre verticala locului si orbita.

Pozitia soarelui intr-un anumit moment este determinata inca de Vitruviu, a carui epura a fost descrisa de G. M. Cantacuzino.

Marinarii determinau pozitia soarelui cu sextantul, chinezii si vikingii aveau busole.

Se materializeaza zona sferei de sub orizont. Umbrele pe coaja se reprezinta ca arce de cerc, simetrice fata de punctele boltii. Se construiesc cu un aparat- "coaja cu bat". Se regleaza unghiul cojii fata de orizontala locului, in functie de latitudinea obiectului, apoi se expune macheta la soare, astfel incat sa se poata citi umbra fiecarui punct pe parcursul unei zile. Acum aceste determinari sunt usurate de programele de simulare a umbrei pe calculator.

Meridianele ceresti se impart pe sfera in 12 plane ce trec prin axa (se prevad 24 de curbe care determina cele 12 plane). La meridianul ceresc ce trece prin axa lumii, toate planele se unesc intr-un punct- Steaua Polara.

Cadranele solare se utilizeaza pentru a urmari miscarea soarelui.

Un cadran solar (fig. 28) prezinta grafic, in mod obisnuit, punctele materializate de umbra pe parcursul zilelor si anului.

Fig. 28 Fig. 29

Daca se rabate punctul orizontal, razele de soare descriu semicercul dat de punctul de observatie la echinoctiu (fig. 29). Planul acesta se intersecteaza cu cel al orizontului dopa o dreapta. Celelalte puncte ale anului se reprezinta sub forma unei panze conice.

Umbrele descriu curbe conice asimptotice. Dimineata si seara umbrele sunt simetrice.

Diagrama de umbra prezinta proiectiile soarelui pe planul boltii.

Al patrulea tip de reprezentare- Masca de umbra (fig. 30)

Aceasta prezinta aceiasi aparitie geometrica. Se proiecteaza prin constante de observatie un obiect oarecare, rezultand o pata; se proiecteaza a doua oara pe planul orizontului, determinandu-se astfel forma geometrica a umbrei pe pamant. Se pot realiza diagrame ce corespund orientarii si locului in care se afla figura reprezentata.

Daca in cazul casei batranesti diagrama solara este suprapusa peste masca de umbra, se constata ca in perioada rece a anului suprafata ferestrei este expusa razelor solare, iar vara aceiasi zona este in umbra.

Conformarea prispei, panta acoperisului, volumetria generala, depind de insorire, de nebulozitate, de factori climatici si de latitudine- la aceiasi latitudine se prezinta diferente interesante, subtile, complexe intre constructii (vezi fig. 17).   

Formula casei batranesti prevede un sistem constructiv din materiale calde- lemn si pamant crud, care in ansamblu prezinta o capacitate insemnata de izolare termica.

Se mai construiesc case de lemn in unele zone ale tarii.

Nu forma vernaculara si configuratia spatiala simpla a acestei constructii- regasita pretutindeni la Muzeul Satului- intereseaza, ci criteriile care au stat la baza unei conformari atat de actuale.

Controlul ambiantei termice este asigurat de soba- sursa de caldura. Fluxul de energie este dirijat prin tamponul termic determinat de fumul din pod, ce stagneaza, optimizandu-se astfel pierderile de caldura. Gudronizarea lemnului inlatura ciupercile, bacteriile si fungii, care ar putea ataca structura sarpantei.

Aceasta casa respira- anvelopanta este permeabila la vapori, iar masivitatea lucreaza ca un volant. Inertia termica asociata cu fenomenele mecanice funcioneaza in acest caz ca volantul termic al motoarelor- o roata masiva ce uniformizeaza miscarile.

Tamponul termic reprezinta un spatiu care protejaza impotriva unor fenomene termice neplacute. Din punct de vedere al configuratiei de ansamblu- sopronul asigura un regim termic intermediar intre exterior- casa, ferind constructia de vanturile ce vin din N-E si reprezentand o sursa de echilibru din punct de vedere al variatiilor de temperatura in toate sezoanele.

Megaronul lui Socrate este o reprezentare ideala a unei configuratii la randul ei ideala- nu exista "o palnie" deschisa spre soare. Aceasta structura se regaseste la prispa casei batranesti.

Exista multe case realizate din lemn, tencuite si zugravite ca si cand ar fi din piatra, de exemplu constructiile din zona Bucovinei.

Invelitorile traditionale nu sunt etanse, zapada topita da infiltratii, fiind utile cat stratul este proaspat, afanat si rece. De aceea panta sarpantei este configurata pentru a permite curgerea zapezii la topire. Exista speculatii in privinta unei asocieri intre unghiul invelitorii si cel dupa care se structureaza fulgii la ninsori.

Principiul de alcatuire al acestor sarpante consta in dispunerea de sindrile prinse in cuie de lemn. Fierul nu este utilizat, deoarece trebuie prelucrat si adus din alte parti ale tarii. In zonele muntoase si de podis inalte, casele nu se acopera cu sindrila, ci cu paie uscate, neimbibate.

In realitate controlul solar nu se limiteaza la simpla configuratie geometrica. Soarele se prezinta la fel in cele doua jumatati ale anului, geometric ar necesita structurari diferite: la 22 martie este echinoctiul de primavara, pana in aprilie ne dorim ca lumina naturala sa patrunda in casa, in schimb la 22 septembrie nu s-a terminat inca vara, deci golurile trebuie umbrite.

Controlul solar

In tara noastra orientarea sud reprezinta un aport solar considerabil, alte puncte cardinale( est, vest) au mai putina insemnatate.

Pentru constructii se doreste cat mai multa lumina in interior. Exigentele in materie de parasolare prevad sisteme de umbrire vara si cu posibilitatea patrunderii razelor solare in anotimpul rece.

Deasupra inaltimii de 68 nu este lumina. Daca acoperirea se intrerupe si se amplaseaza la ungiuri mari, intra o lumina difuza. Daca bate soarele pe acest element atnci se incalzeste, iar daca apar discontinuitati in planul sau, se ventileaza. In cazul in care se executa un parasolar din tabla subtire de aluminiu, sub acesta se va forma o punga de aer calda care vara se va resimti dezagreabil.

Fig. 31 Fig. 32

Pentru o anumita retragere a ferestrei si dorind o cantitate mai mare de lumina se poate optimiza un parasolar. Astfel iarna se poate ridica "cozorocul" sau inclina. Daca se inalta peste 28- 30 ar fi necesar fie un element mai amplu, sau unul mai inclinat, ceea ce presupune un efort constructiv considerabil.

La sfarsitul anilor '50 se regasesc in relizarile de arhitectura exemple interesante de parasolare-la sanatoriul proiectat de Alvar Aalto protectiile solare sunt constituite din planseele profunde ale balcoanelor, solutie adoptata deoarece cladirea avea nevoie de multa lumina.

In ultimele decenii s-au configurat elemente mai complexe, din metal, fragmentate.

Parasolarele ajung la moda odata cu perioada arhitecturii moderne, cand se proiecteaza constructii avand fatade complet vitrate, cu sticla fumurie, reflectorizanta. Elementele de umbrire au un caracter consistent, exprimat clar in fatade. In urma crizei de energie ( odata cu scumpirea combustibililor) noua generatie de produse de arhitectura prevede dotari si echipamente in ansamblurile construite.

In timp se ajunge la dematerializarea elementelor parasolare, utilizandu-se: gratare-din lamele compuse- la unghiuri de 50,care dau umbra pe timpul verii si permit trecerea razelor la 68 iarna.

Pentru conformarea la un nivel inalt de performanta se poate recurge la fragmentari si la lamele diagonale, astfel incat la 22-50 sa se permita patrunderea razelor

Lumina naturala difuza si perceptia

Lumina reprezinta o parte din spectrul total de energie, considerata- un proces ondulatoriu. Poate fi directa sau difuza, exprimata prin fenomene cantitative si calitative si transmisa sub forma de oscilatii elastice longitudinale.

Radiatiile cosmice, razele X, ultravioletele formeaza spectrul vizibil. Cele din urma, aflate in cantitate mare la nivelul solului produc tulburari ale sistemului imunitar.

Exista diferite metode de a determina cantitatea de lumina naturala, intr-un punct dat. Pentru astfel de evaluari se utilizeaza marimi fizice ca: stralucirea, densitatea fluxului luminos, iluminarea.

O candela reprezinta intensitatea luminoasa, intr-o directie data, a unei surse care emite o radiatie monocromatica, avand o anumita frecventa si care se manifesta cu o anumita intensitate energetica.

Densitatea fluxului luminos se masoara in lumeni

Iluminarea energetica a unei suprafete elementare, este raportul dintre fluxul de radiatie, care cade pe aceasta si aria suprafetei elementare. Se masoara in lucsi- 1 lux reprezinta iluminarea pe o suprafata de 1 mp, care primeste un flux luminos de 1 lm, uniform repartizat pe aceasta suprafata.

1 lx= 1 lm/ mp

Pentru organismul uman se prevad minim 200 lucsi, optim 400.

O iluminare difuza se obtine in cazul in care bolta este acoperita. Aceasta stare se apreciaza cu ajutorul unui luxmetru. Aparatul de fotografiat nu se exprima in lucsi, ci in timpi de expunere.

Savantii utilizeaza monograme de lumina medie.

Pentru a determina numarul de lucsi primiti de la soare, se pot numara pe geam toate punctele care se vad, ale obiectelor.