High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.

Potential issues related to emergency core cooling system strainers performance at boiling water reactors: application to Cofrentes NPP (Spain)

From the 60s to the 90s, a great number of events related to the Emergency Core Cooling Systems Strainers have been happened in all kind of reactors all over the world. Thus, the Nuclear Regulatory Commission of the USA emitted some Bulletins to address the concerns about the adequacy of Emergency Core Cooling Systems (ECCS) strainer performance at boiling water reactors (BWR). In Spain the regulatory body (Consejo de Seguridad Nuclear, CSN) adopted the USA regulation and Cofrentes NPP installed new strainers with a considerable bigger size than the old strainers. The nuclear industry conducted significant and extensive research, guidance development, testing, reviews, and hardware and procedure changes during the 90s to resolve the issues related to debris blockage of BWR strainers. In 2001 the NRC and CSN closed the Bulletins. Thereafter, the strainers issues were moved to the PWR reactors. In 2004 the NRC issued a Generic Letter (GL). It requested the resolution of several effects which were not noted in the past. The GL regarded to be resolved by the PWR reactors but the NRC in USA and the CSN in Spain have requested that the BWR reactors investigate differences between the methodologies used by the BWRs and PWRs. The developments and improvements done for Cofrentes NPP are detailed. Studies for this plant show that the head loss due to the considered debris is at most half of the limited head loss for the ECCS strainer and the NPSH (Net Positive Suction Head) required for the ECCS pumps is at least three times lower than the NPSH available.

Heated fiber optic distributed temperature sensing for measuring soil volumetric heat capacity and water content: A dual probe heat-pulse approach

The first feasibility study of using dual-probe heated fiber optics with distributed temperature sensing to measure soil volumetric heat capacity and soil water content is presented. Although results using different combinations of cables demonstrate feasibility, further work is needed to gain accuracy, including a model to account for the finite dimension and the thermal influence of the probes. Implementation of the dual-probe heat-pulse (DPHP) approach for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with distributed temperature sensing heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring (e.g., simultaneous measurement at thousands of points). We applied uniform heat pulses along a FO cable and monitored the thermal response at adjacent cables. We tested the DPHP method in the laboratory using multiple FO cables at a range of spacings. The amplitude and phase shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity. Estimations of C at a range of moisture contents (θ = 0.09– 0.34 m3 m−3) suggest the feasibility of measurement via responsiveness to the changes in θ, although we observed error with decreasing soil water contents (up to 26% at θ = 0.09 m3 m−3). Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables. Although the results indicate that the method shows great promise, further study is needed to quantify the effects of soil type, cable spacing, and jacket configurations on accuracy.

Brown trout thermal niche and climate change: expected changes in the distribution of cold-water fish in central Spain

This paper addresses the determination of the realized thermal niche and the effects of climate change on the range distribution of two brown trout populations inhabiting two streams in the Duero River basin (Iberian Peninsula) at the edge of the natural distribution area of this species. For reaching these goals, new methodological developments were applied to improve reliability of forecasts. Water temperature data were collected using 11 thermographs located along the altitudinal gradient, and they were used to model the relationship between stream temperature and air temperature along the river continuum. Trout abundance was studied using electrofishing at 37 sites to determine the current distribution. The RCP4.5 and RCP8.5 change scenarios adopted by the International Panel of Climate Change for its Fifth Assessment Report were used for simulations and local downscaling in this study. We found more reliable results using the daily mean stream temperature than maximum daily temperature and their respective seven days moving-average to determine the distribution thresholds. Thereby, the observed limits of the summer distribution of brown trout were linked to thresholds between 18.1ºC and 18.7ºC. These temperatures characterise a realised thermal niche narrower than the physiological thermal range. In the most unfavourable climate change scenario, the thermal habitat loss of brown trout increased to 38% (Cega stream) and 11% (Pirón stream) in the upstream direction at the end of the century; however, at the Cega stream, the range reduction could reach 56% due to the effect of a ?warm-window? opening in the piedmont reach.

Estudio de los factores que condicionan, a escala local, la presencia de Epidendrum rhopalostele (Orchidaceae): Implicaciones para su conservación

El análisis de los factores que determinan el establecimiento y supervivencia de orquídeas epífitas, incluyen: a) las condiciones microambientales de los bosques que las mantienen, b) preferencias por las características de los hospederos donde crecen, c) limitación en la dispersión de semillas, d) interacciones planta-planta, y e) asociaciones micorrízicas para la germinación y resultan esenciales para el desarrollo de estrategias para la conservación y manejo de este grupo de plantas. Este trabajo ha evaluado la importancia de estos factores en Epidendrum rhopalostele, orquídea epífita del bosque de niebla montano, a través de los análisis de los patrones espaciales de los árboles que la portan y de la propia orquídea, a escala de población, estudios de asociación y métodos moleculares. Estos últimos han consistido en el uso de marcadores AFLP para el análisis de la estructura genética de la orquídea y en la secuenciación-clonación de la región ITS para la identificación de los hongos micorrízicos asociados. El objetivo de esta tesis es, por tanto, una mejor comprensión de los factores que condicionan la presencia de orquídeas epífitas en los remanentes de bosque de niebla montano y una evaluación de las implicaciones para la conservación y mantenimiento de sus hábitats y la permanencia de sus poblaciones. El estudio fue realizado en un fragmento de bosque de niebla montano de sucesión secundaria situado al este de la Cordillera Real, en los Andes del sur de Ecuador, a 2250 m.s.n.m y caracterizado por una pendiente marcada, temperatura media anual de 20.8°C y precipitación anual de 2193 mm. En este fragmento se mapearon, identificaron y caracterizaron todos los árboles presentes con DBH > 1 cm y todos los individuos de Epidendrum rhopalostele. Así mismo se tomaron muestras de hoja para obtener ADN de todas las orquídeas registradas y muestras de raíces de individuos con flor de E. rhopalostele, uno por cada forófito, para el análisis filogenético de micorrizas. Análisis espaciales de patrones de puntos basados en la K de Ripley y la distancia al vecino más cercano fueron usados para los árboles, forófitos y la población de E. rhopalostele. Se observó que la distribución espacial de árboles y forófitos de E. rhopalostele no es aleatoria, ya que se ajusta a un proceso agregado de Poisson. De ahí se infiere una limitación en la dispersión de las semillas en el fragmento estudiado y en el establecimiento de la orquídea. El patrón de distribución de la población de E. rhopalostele en el fragmento muestra un agrupamiento a pequeña escala sugiriendo una preferencia por micro-sitios para el establecimiento de la orquídea con un kernel de dispersión de las semillas estimado de 0.4 m. Las características preferentes del micro-sitio como tipos de árboles (Clusia alata y árboles muertos), tolerancia a la sombra, corteza rugosa, distribución en los dos primeros metros sugieren una tendencia a distribuirse en el sotobosque. La existencia de una segregación espacial entre adultos y juveniles sugiere una competencia por recursos limitados condicionada por la preferencia de micro-sitio. La estructura genética de la población de E. rhopalostele analizada a través de Structure y PCoA evidencia la presencia de dos grupos genéticos coexistiendo en el fragmento y en los mismos forófitos, posiblemente por eventos de hibridización entre especies de Epidendrum simpátricas. Los resultados del análisis de autocorrelación espacial efectuados en GenAlex confirman una estructura genético-espacial a pequeña escala que es compatible con un mecanismo de dispersión de semillas a corta distancia ocasionada por gravedad o pequeñas escorrentías, frente a la dispersión a larga distancia promovida por el viento generalmente atribuida a las orquídeas. Para la identificación de los micobiontes se amplificó la región ITS1-5.8S-ITS2, y 47 secuencias fueron usadas para el análisis filogenético basado en neighborjoining, análisis bayesiano y máximum-likelihood que determinó que Epidendrum rhopalostele establece asociaciones micorrízicas con al menos dos especies diferentes de Tulasnella. Se registraron plantas que estaban asociadas con los dos clados de hongos encontrados, sugiriendo ausencia de limitación en la distribución del hongo. Con relación a las implicaciones para la conservación in situ resultado de este trabajo se recomienda la preservación de todo el fragmento de bosque así como de las interacciones existentes (polinizadores, micorrizas) a fin de conservar la diversidad genética de esta orquídea epífita. Si fuere necesaria una reintroducción se deben contemplar distancias entre los individuos en cada forófito dentro de un rango de 0.4 m. Para promover el reclutamiento y regeneración de E. rhopalostele, se recomienda que los forófitos correspondan preferentemente a árboles muertos o caídos y a especies, como Clusia alata, que posean además corteza rugosa, sean tolerantes a la sombra, y en el área del sotobosque con menor luminosidad. Además es conveniente que las orquídeas en su distribución vertical estén ubicadas en los primeros metros. En conclusión, la limitación en la dispersión, las características del micro-sitio, las interacciones intraespecíficas y con especies congenéricas simpátricas y las preferencias micorrízicas condicionan la presencia de esta orquídea epífita en este tipo de bosque. ABSTRACT The analysis of factors that determine the establishment and survival of epiphytic depends on factors such as a) microenvironmental conditions of forest, b) preference for host characteristics where orchids grow, c) seed dispersal limitation, d) plant-plant interaction, e) priority mycorrhizal associations for germination, are essential for the development of strategies for management and conservation. This work evaluated the importance of these factors in Epidendrum rhopalostele, an epiphytic orchid of montane cloud forest through the analysis of spatial patterns of host trees and the orchid, in a more specific scale, with association studies and molecular methods, including AFLPs for orchid population genetic structure and the sequencing of the ITS region for associated mycorrhizal fungi. The aim of this thesis is to understand the factors that condition the presence of epiphytic orchids in the remnants of montane cloud forest and to assess the implications for the conservation and preservation of their habitats and the persistence of the orchid populations. The study was carried out in a fragment of montane cloud forest of secondary succession on the eastern slope of Cordillera Real in the Andes of southern Ecuador, located at 2250 m a.s.l. characterized by a steep slope, mean annual temperature of 20.8°C and annual precipitation of 2193 mm. All trees with DBH > 1 cm were mapped, characterized and identified. All E. rhopalostele individuals present were counted, marked, characterized and mapped. Leaf samples of all orchid individuals were collected for DNA analysis. Root samples of flowering E. rhopalostele individuals were collected for phylogenetic analysis of mycorrhizae, one per phorophyte. Spatial point pattern analysis based on Ripley`s K function and nearest neighbor function was used for trees, phorophytes and orchid population. We observed that spatial distribution of trees and phorophytes is not random, as it adjusts to a Poisson cluster process. This suggests a limitation for seed dispersal in the study fragment that is affecting orchid establishment. Furthermore, the small-scale spatial pattern of E. rhopalostele evidences a clustering that suggests a microsite preference for orchid establishment with a dispersal kernel of 0.4 m. Microsite features such as types of trees (dead trees or Clusia alata), shade tolerance trees, rough bark, distribution in the first meters suggest a tendency to prefer the understory for their establishment. Regarding plant-plant interaction a spatial segregation between adults and juveniles was present suggesting competition for limited resources conditioned for a microsite preference. Analysis of genetic structure of E. rhopalostele population through Structure and PCoA shows two genetic groups coexisting in this fragment and in the same phorophyte, possibly as a result of hybridization between sympatric species of Epidendrum. Our results of spatial autocorrelation analysis develop in GenAlex confirm a small-scale spatial-genetic structure within the genetic groups that is compatible with a short-distance dispersal mechanism caused by gravity or water run-off, instead of the long-distance seed dispersal promoted by wind generally attributed to orchids. For mycobionts identification ITS1-5.8S-ITS2 rDNA region was amplified. Phylogenetic analysis was performed with neighborjoining, Bayesian likelihood and maximum-likelihood for 47 sequences yielded two Tulasnella clades. This orchid establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. In some cases both fungi clades were present in same root, suggesting no limitation in fungal distribution. Concerning the implications for in situ conservation resulting from this work, the preservation of all forest fragment and their interactions (pollinators, mycorrhiza) is recommended to conserve the genetic diversity of this species. If a reintroduction were necessary, distances between individuals in each phorophyte within a range of 0.4 m, are recommended. To promote recruitment and regeneration of E. rhopalostele it is recommended that phorophytes correspond to dead or fallen trees or species, such as Clusia alata. Trees that have rough bark and are shade tolerant are also recommended. Furthermore, regarding vertical distribution, it is also convenient that orchids are located in the first meter (in understory, area with less light). In conclusion, limitation on seed dispersal, microsite characteristics, plant-plant interactions or interaction with cogeneric sympatric species and mycorrhizal preferences conditioned the presence of this epiphytic orchid in this fragment forest.

Approach to the potential production of giant reed in surplus saline lands of Spain

Growing energy crops on marginal land has been promoted as a way of ensuring that biomass production involves an acceptable and sustainable use of land. Saline and saline-prone agricultural lands represent an opportunity for growing energy crops avoiding the displacement of food production and contributing to restoration of degraded land. Giant reed (Arundo donax L.) is a perennial grass that has been proposed as a promising energy crop for lignocellulosic biomass production while its tolerance to salinity has been proved. In this work, the identification of surplus saline lands that could be irrigated with saline waters for growing tolerant-energy crops (giant reed) in the mainland of Spain and the assessment of the agronomically attainable yield in these limiting growing conditions were undertaken. To this purpose, a GIS analysis was conducted using geodatabases related to saline areas, agro-climatic conditions, irrigation water requirements, agricultural land availability, restrictions regarding the range of electrical conductivity tolerated by the crop, competition with agro-food crops and irrigation water provisions. According to the approach developed, the irrigated and saline agricultural area available and suitable for biomass production from giant reed amounted up to 34 412 ha. The agronomically attainable yield in these limiting conditions was estimated at 12.7 – 22.2 t dm ha−1 yr−1 and the potential production of lignocellulosic biomass, 597 338 t dm yr−1. The methodology followed in this study can be applied to other target regions; it allows the identification of this type of marginal lands, where salinity-tolerant plant species could be grown for bioenergy purposes, avoiding competition with agro-food crops, and where soil restoration measurements should be undertaken.

Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio climático y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero también permitir la adaptación de los sistemas afectados por este fenómeno a los cambios que están provocando a nivel mundial. Olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenómeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energética necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensión requiere el entendimiento de este fenómeno y un profundo análisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a él. En la búsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y específicamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulación del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducción de la demanda energética de refrigeración debida a la instalación de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ámbitos, la calle, desde su ámbito habitable cercano al suelo hasta el límite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigación tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a través de la cuantificación del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como empíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energía de los edificios que rodean éste espacio. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición del alcance y limitaciones del análisis • Selección de las herramientas y modelos de análisis • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo Dada la complejidad de los fenómenos que intervienen en la generación de unas determinadas condiciones microclimáticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sólo se han tenido en cuenta los componentes bióticos y abióticos del sistema, que incluyen la morfología, características superficiales del entorno estudiado, así como los elementos vegetales. Los componentes antrópicos no se han incluido en este análisis. La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha concluido en la selección de ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cálculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigación. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservación de masa, energía y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este análisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio típico que compone el vecindario se ha definido como “business as usual” (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigón estándar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y cerramientos adiabáticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del análisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su índice de densidad foliar, el “leaf area density” (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El análisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los límites geométricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variación de la los principales parámetros que según la literatura analizada condicionan las variaciones microclimáticas en el ámbito urbano afectado por la vegetación, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climáticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condición de contorno para el análisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento más altas aunque en ningún caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superó reducciones de temperatura de aire superiores a 1 º C. La humedad relativa no presentó variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este análisis en cuanto a la herramienta de simulación. También se comprobó el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigón: el techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas típicas) y LAD 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º C al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificación de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empíricos analizados. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitan la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación tan complejo dentro de tiempos razonables de cálculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitación es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptándolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relación de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de “canopy” (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para éste propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Está rodeado de vías de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relación de aspecto menor que 0,5. Esta geometría presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposición soleada, exposición la sombra y exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º C y 250 º C. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada más vegetación nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijó en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variación entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es la contribución del suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetación a pie de calle. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrolló un modelo energético en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ºC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cálculo de la demanda energética y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el día definido, el 9 de Julio. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un día pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de éste estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiación y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso más si hay pavimentos húmedos o suelos porosos incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para éste tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparación de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. Así mismo, la evaluación de otros parámetros que afectan el microclima urbano tales como variables geométricas y propiedades superficiales debería ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean –continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: • Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. • Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. • Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ºC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ºC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: • In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. • In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ºC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ºC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ºC. Minimal distance to surface of 0.5 m and Tª measurements range from -20ºC and 250ºC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ºC to 2ºC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ºC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ºC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

Trans arquitectura : imaginación, invención e individuación del objeto técnico arquitectónico : transferencia tecnológica desde la industria del transporte al proyecto arquitectónico (1900-1973)

Se presenta la tesis doctoral, titulada ‘TRANS Arquitectura. Imaginación, Invención e individuación del objeto tecnico arquitectónico. Transferencia tecnológica desde la Industria del Transporte al Proyecto de Arquitectura [1900-1973]'’, que aborda la relación entre la Arquitectura y el Objeto Técnico durante la Modernidad.1 La temática de la tesis gravita en torno a la cultura técnica, la cultura material y la historia de la Tecnología del siglo XX. Hipótesis Se sostiene aquí la existencia de unas arquitecturas que se definen como Objetos Técnicos. Para demostrarlo se estudia si éstas comparten las mismas propiedades ontológicas de los objetos técnicos. Industria y Arquitectura La historia de la Arquitectura Moderna es la historia de la Industria Moderna y sus instalaciones industriales, sus productos y artefactos o sus procedimientos y procesos productivos. Fábricas, talleres, acerías, astilleros, minas, refinerías, laboratorios, automóviles, veleros, aviones, dirigibles, transbordadores, estaciones espaciales, electrodomésticos, ordenadores personales, teléfonos móviles, motores, baterías, turbinas, aparejos, cascos, chassis, carrocerías, fuselajes, composites, materiales sintéticos, la cadena de montaje, la fabricación modular, la cadena de suministros, la ingeniería de procesos, la obsolescencia programada… Todos estos objetos técnicos evolucionan constantemente gracias al inconformismo de la imaginación humana, y como intermediarios que son, cambian nuestra manera de relacionarnos con el mundo. La Arquitectura, al igual que otros objetos técnicos, media entre el hombre y el mundo. Con el objetivo de reducir el ámbito tan vasto de la investigación, éste se ha filtrado a partir de varios parámetros y cualidades de la Industria, estableciendo un marco temporal, vinculado con un determinado modo de hacer, basado en la ciencia. El inicio del desarrollo industrial basado en el conocimiento científico se da desde la Segunda Revolución Industrial, por consenso en el último tercio del siglo XIX. Este marco centra el foco de la tesis en el proceso de industrialización experimentado por la Arquitectura desde entonces, y durante aproximadamente un siglo, recorriendo la Modernidad durante los 75 primeros años del siglo XX. Durante este tiempo, los arquitectos han realizado transferencias de imágenes, técnicas, procesos y materiales desde la Industria, que ha servido como fuente de conocimiento para la Arquitectura, y ha evolucionado como disciplina. Para poder abordar más razonablemente un periodo tan amplio, se ha elegido el sector industrial del transporte, que históricamente ha sido, no sólo fuente de inspiración para los Arquitectos, sino también fuente de transferencia tecnológica para la Arquitectura. Conjuntos técnicos como los astilleros, fábricas de automóviles o hangares de aviones, individuos técnicos como barcos, coches o aviones, y elementos técnicos como las estructuras que les dan forma y soporte, son todos ellos objetos técnicos que comparten propiedades con las arquitecturas que aquí se presentan. La puesta en marcha de la cadena móvil de montaje en 1913, se toma instrumentalmente como primer foco temporal desde el que relatar la evolución de numerosos objetos técnicos en la Primera Era de la Máquina; un segundo foco se sitúa en 19582, año de la creación de la Agencia Espacial norteamericana (NASA), que sirve de referencia para situar la Segunda Era de la Máquina. La mayoría de los objetos técnicos arquitectónicos utilizados para probar la hipótesis planteada, gravitan en torno a estas fechas, con un rango de más menos 25 años, con una clara intención de sincronizar el tiempo de la acción y el tiempo del pensamiento. Arquitectura y objeto técnico Los objetos técnicos han estado siempre relacionados con la Arquitectura. En el pasado, el mismo técnico que proyectaba y supervisaba una estructura, se ocupaba de inventar los ingenios y máquinas para llevarlas a cabo. Los maestros de obra, eran verdaderos ‘agentes de transferencia tecnológica’ de la Industria y su conocimiento relacionaba técnicas de fabricación de diferentes objetos técnicos. Brunelleschi inventó varia grúas para construir la cúpula de Santa Maria dei Fiori (ca.1461), seguramente inspirado por la reedición del tratado de Vitruvio, De Architectura (15 A.C.), cuyo último capítulo estaba dedicado a las máquinas de la arquitectura clásica romana, y citaba a inventores como Archimedes. El arquitecto florentino fue el primero en patentar un invento en 1421: una embarcación anfibia que serviría para transportar mármol de Carrara por el río Arno, para su obra en Florencia. J. Paxton. Crystal Palace. London 1851. Viga-columna. Robert McCormick. Cosechadora 1831. 2ª patente, 1845. La Segunda Revolución Industrial nos dejó un primitivo ejemplo moderno de la relación entre la Arquitectura y el objeto técnico. El mayor edificio industrializado hasta la fecha, el Crystal Palace de Londres, obra de Joseph Paxton, fue montado en Londres con motivo de la Gran Exposición sobre la Industria Mundial de 1851, y siempre estará asociado a la cosechadora McCormick, merecedora del Gran Premio del Jurado. De ambos objetos técnicos, podrían destacarse características similares, como su origen industrial, y ser el complejo resultado de un ensamblaje simple de elementos técnicos. Desde la entonces, el desarrollo tecnológico ha experimentado una aceleración continuada, dando lugar a una creciente especialización y separación del conocimiento sobre las técnicas antes naturalmente unidas. Este proceso se ha dado a expensas del conocimiento integrador y en detrimento de la promiscuidad entre la Industria y la Arquitectura. Este es, sin lugar a dudas, un signo consustancial a nuestro tiempo, que provoca un natural interés de los arquitectos y otros tecnólogos, por las transferencias, trans e inter-disciplinareidades que tratan de re-establecer los canales de relación entre los diferentes campos del conocimiento. La emergencia de objetos técnicos como los vehículos modernos a principios del siglo XX (el automóvil, el trasatlántico, el dirigible o el aeroplano) está relacionada directamente con la Arquitectura de la Primera Era de la Máquina. La fascinación de los arquitectos modernos por aquellas nuevas estructuras habitables, se ha mantenido durante más de un siglo, con diferente intensidad y prestando atención a unos objetos técnicos u otros, oscilando entre el dominio del valor simbólico de los vehículos como objetosimágenes, durante el periodo heroico de la Primera Era de la Máquina, y la mirada más inquisitiva durante la Segunda, que perseguía un conocimiento más profundo de la organización de los mismos y del sistema técnico en el que estaban incluidos. La relación homóloga que existe entre arquitecturas y vehículos, por su condición de estructuras habitables, es algo de sobra conocido desde que Le Corbusier utilizara aquellas imágenes de barcos, coches y aviones para ilustrar su manifiesto Vers une architecture, de 1923. Los vehículos modernos han sido los medios con los que transmitir los conceptos que ansiaban transformar las propiedades tradicionales de la Arquitectura, relativas a su factura, su habitabilidad, su duración, su funcionalidad o su estética. Destaca particularmente el caso del automóvil en las décadas de los años 30 y 50, y los vehículos del programa espacial en las décadas de los 60 y 70. El conocimiento y la documentación previa de estos hechos, fueron un buen indicio para identificar y confirmar que el sector industrial del transporte, era un especialmente trascendente y fértil proveedor de casos de transferencia tecnológica para la Arquitectura. La tradición Moderna inaugurada por Le Corbusier en los años 20, ha sido mantenida y defendida por una multitud de arquitectos modernos como Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames o Craig Ellwood, cuyo trabajo, animado por el legado de anteriores tecnólogos como Bucky Fuller o Jean Prouvé, fue fundamental y referencia obligada para la siguiente generación de arquitectos como Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean Kaplicky o Richard Horden, entre otros. Todos ellos han contribuido a engrosar el imaginario del objeto técnico, aportando sus obras arquitectónicas. Estos arquitectos que aparecen repetidamente en el discurrir de la tesis, pertenecen a un mismo linaje, y son agrupados según una estructura ‘genealógica’, que se ha denominado ‘Estirpe Técnica’. Unidos por intereses comunes y similares enfoques o actitudes ante el proyecto de arquitectura, entendida como objeto Técnico, han operado mediante la práctica de la transferencia tecnológica, sin limitarse a las técnicas compositivas propias de la disciplina arquitectónica. Durante la investigación, se ha recopilado una selección de menciones explícitas -hechas por arquitectos- sobre otros objetos técnicos para referirse a la Arquitectura, mostrando las constantes y las variaciones de sus intereses a lo largo del siglo, lo que nos ha llevado a conclusiones como por ejemplo, que los conjuntos técnicos (fábricas de zepelines, aviones, automóviles o trasatlánticos) eran tomados por los arquitectos de la primera Modernidad, como un modelo imaginario, formal y compositivo, mientras que los de la Segunda Era de la Máquina los tomaban como modelo espacial y organizativo para la arquitectura. La mencionada estirpe de tecnólogos incluye líneas de descendencia conocidas, como: EiffelSuchovBehrens GropiusMiesLeCorbusierLodsProuve, en la Europa continental, o una rama británica como: LoudonPaxtonWilliamsStirlingGowan SmithsonsPriceArchigramFosterRogersPiano KaplickyHorden. También podemos encontrar conexiones intercontinentales como Fuller EamesRudolphFosterRogers, o ramificaciones menos previsibles como: LeRicolaisKahn PianoKaplicky, o LeCorbusierFreyLacaton Vassal… Seguramente muchos más merecerían incluirse en esta lista, y de hecho, la tesis asume la imposibilidad de incluirlo todo (por motivos prácticos) aunque contempla la posibilidad de ser ampliada en un futuro. Con lo aquí incluido, se pretende mostrar la continuidad en los enfoques, planteamientos y técnicas de proyectos aplicadas, de los que podemos deducir algunas conclusiones, como por ejemplo, que en los periodos inmediatamente posteriores a las dos Guerras Mundiales, aumentó la intensidad de aportaciones de nuevas imágenes de vehículos, al imaginario del objeto técnico utilizado por los arquitectos, a través de publicaciones y exposiciones. Hoy, cien años después de que Ford pusiera en marcha la cadena móvil de montaje, aún encontramos viva esta tradición en las palabras de un arquitecto, Richard Horden, cuyo trabajo porta consigo –como la información embebida en los elementos técnicos- toda una cultura técnica de una tradición moderna. Horden representa uno de los exponentes de la que he denominado estirpe de tecnólogos. Es por ello que he querido concluir la tesis con una entrevista, realizada en Mayo de 2015, en su estudio de Berkeley Square en Londres (ver Apéndices). Guías Para el desarrollo de la presente tesis, se ha tomado, como principal obra de referencia, otra tesis, titulada El modo de existencia de los objetos técnicos, leída y publicada en 1958 por el filósofo francés Gilbert Simondon [1924-89], dedicada a la ontología del objeto técnico. Esta obra enmarca el enfoque intelectual de la tesis, que entronca con la fenomenología, para movilizar una visión particular de la Arquitectura, a la que sirve como modelo de análisis ontológico para estudiar sus procesos de génesis, invención e individuación. Para el desarrollo de éstos, se ha utilizado como complemento bibliográfico, otra obra del mismo autor, titulada Imaginación e invención 1965-66. En cuanto a las fuentes historiográficas disciplinares, se ha elegido utilizar a Reyner P. Banham [1922-1988] y a Martin E. Pawley [1938-2008] como guías a través de la arquitectura del siglo XX. Sus crónicas sobre la Primera y Segunda Era de la Máquina3 y su obra crítica, han servido como índices desde los que reconstruir el imaginario del objeto técnico moderno, y del que aprovisionarse de proyectos y obras de Arquitectura como casos de estudio para la tesis. Estas obras han servido además como índices de otra bibliografía, que ha sido complementaria a la de éstos. Objetivos de la Tesis El principal objetivo de la tesis es demostrar la hipótesis: si una obra de arquitectura puede ser considerada un objeto técnico y bajo qué condiciones, construyendo un criterio que permita reconocer cuándo una obra de Arquitectura responde a la definición de objeto técnico. Otro objetivo es demostrar la importancia y potencia de la Transferencia tecnológica en el proceso evolutivo de la Arquitectura, y para ello se presentan ejemplos de una metodología de proyecto por ensamblaje, que Martin Pawley denominaba ‘Design by Assembly’. También es un objetivo el de reconstruir un Atlas del Imaginario del objeto técnico moderno, con el fin de conocer mejor las causas, razones y finalidades que llevaron a los arquitectos modernos a perseguir una arquitectura como objeto técnico. Este Atlas permite relacionar panópticamente los distintos objetos técnicos entre sí, revelando la verdadera importancia y trascendencia de aquéllos y las arquitecturas con las que se relacionan. En él, las arquitecturas vuelven a situarse en el contexto más extenso y complejo de la industria y la historia de la tecnología, al que siempre pertenecieron. De este modo, éstas son capaces de desvelar todo el conocimiento -en forma de información- que portan en su propio código ‘genético’, desplegando capítulos completos de cultura tecnológica, tan antigua como la Humanidad y en constante y creciente evolución. Estructura de la tesis Tras una Introducción en la que se presentan algunos de los conceptos principales que se instrumentalizan en la tesis sobre la ontología Simondoniana del objeto técnico y sobre la transferencia tecnológica aplicada al proyecto de Arquitectura, el texto principal de la tesis consta de tres partes: La primera se dedica a la Imaginación, una segunda parte a la Invención y una tercera a Individuación o evolución del objeto técnico. Se termina con una Discusión de la tesis y un apartado de Conclusiones. En la Introducción al objeto técnico, éste se define ontológicamente y se distinguen sus diferentes categorías (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Se explica el proceso de génesis del objeto técnico y sus fases de imaginación, invención e individuación. También se presentan los conceptos de transducción, tecnicidad y sistema técnico, fundamentales para entender el concepto de transferencia tecnológica que se desarrollará después. La concretización, explica el modo particular de individuación y evolución de los objetos técnicos, un proceso por el que las diferentes partes de un objeto técnico, se integran y tienden hacia la propia convergencia. Aquí se comprueba la efectividad del concepto simondoniano de Transducción, como señal o información transmitida y transformada, y se relaciona con la Transferencia Tecnológica - un proceso sinergético, por el que un sector industrial se beneficia del desarrollo de otro sector- a la que se han referido explícitamente arquitectos e historiadores para explicar sus obras, durante la Segunda Era de la Máquina, y que es determinante para el desarrollo de la Industria. La transferencia tecnológica sería la transmisión del conjunto de conocimientos sobre la técnica, que incluyen su esfera fáctica, pero también la esfera sensible de la experiencia. En su aplicación a la arquitectura, las transferencias se han clasificado según tres tipos: Eidéticas, Tectónicas, Orgánicas. En la primera parte dedicada a la Imaginación del objeto técnico arquitectónico se realiza una reconstrucción ‘arqueológica’ –y parcial- del imaginario del objeto técnico moderno, con la intención de conocer mejor su génesis y la relación con otros objetos técnicos. Las fuentes de ese imaginario se buscan en las instalaciones de la Industria de principios de siglo XX, en particular en las fábricas de vehículos, con la finalidad de comprobar hasta qué punto, esos objetos técnicos fueron importantes para imaginar la Arquitectura moderna. La reconstrucción se continúa hasta la Segunda Era de la Máquina, cuando una nueva mirada más inquisitiva y precisa, se dirige a otras fábricas, vehículos y componentes, interesándose por sus cualidades materiales y organizativas. Transferencias Eidéticas, que operan desde un conocimiento intuitivo y son útiles para transmitir información sobre la esencia de un objeto técnico que sirve de fuente. Conceptos abstractos se transmiten por medio de las imágenes—objeto, para producir una transformación en su equivalente arquitectónico. Fruto de la investigación, se han detectado un grupo de conceptos que han sido objeto de transferencias tecnológicas de naturaleza eidética, provenientes del imaginario del objeto técnico moderno: FABRICADO, HABITABLE, FUNCIONAL, EFICIENTE, OBSOLESCENTE y BELLO. En la segunda parte dedicada a la Invención del objeto técnico arquitectónico, las transferencias también pueden ser Tectónicas, cuando lo que se transmite es una técnica constructiva o estructural aplicada mediante MATERIALES artificiales (como los metales, los composites como el ferrocemento, y el plywood, o las aleaciones como el aluminio) o mediante el ensamblaje de ESTRUCTURAS o partes componentes de otro objeto técnico, (como cascos, fuselajes, carrocerías o aparejos) y tiene como resultado la invención de un nuevo objeto técnico arquitectónico. En la tercera parte dedicada a la individuación, se abordan las transferencias ORGÁNICAS, lo que se transfiere es una técnica organizativa, aplicada a través de PROCEDIMIENTOS que definen la actividad del arquitecto como tecnólogo e inventor de objetos técnicos. Estos procedimientos tienen un efecto transformador en tres instituciones tradicionales para la Arquitectura: la Escuela, el Estudio y la Obra, y sus resultados se resumen en nuevos modelos de organización de la Educación de la Arquitectura, con la aparición de los Talleres de proyectos; nuevos modelos de organización del ejercicio de arquitecto: la Oficina técnica; nuevos modelos de organización del espacio, basados en la organización espacial de la Industria, que da lugar a patrones o Matrices espaciales; un nuevo modelo de organización del proyecto, que utiliza las herramientas gráficas de la industria y el ensamblaje como metodología; y un nuevo modelo de producción arquitectónica, basado en la Industrialización. Tras explicar los conceptos y la génesis del ensamblaje y el montaje, se presenta el proyecto por ensamblaje (Design by assembly) como un método que promueve la invención arquitectónica. Se demuestra utilizando algunos casos analizados en la tesis, en los que se ha realizado alguna transferencia conceptual, constructiva u organizativa. Tras analizar las arquitecturas estudiadas en la tesis, se ha utilizado el método genético propuesto por Simondon para comprender cada evolución particular, reconstruyendo las líneas genealógicas hasta sus ancestros, e identificando una serie de linajes genéticos, que corresponderían con los conjuntos técnicos estudiados en la tesis: el astillero, la fábrica de coches, y la fábrica de aeronaves: los Ancestros de la Modernidad. Los sistemas de organización espacial de estos conjuntos técnicos, están directamente relacionados con el objeto técnico que se produce en él. A partir de ellos se definen una serie de matrices operativas (MILL, SHOP, SHED), que sirven para hacer una taxonomía del objeto técnico arquitectónico. Esto se ejemplifica con algunos proyectos de Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean Kaplicky y Richard Horden. Tesis: Comprobación de la hipótesis Simondon definía ontológicamente el Objeto técnico como aquello de lo que existe génesis y que desarrolla una tendencia hacia la solidaridad y unidad. Para que una Arquitectura pueda ser reconocida como un Objeto técnico, se deben dar una serie de condiciones, en las sucesivas fases que intervienen en su modo de existencia: Imaginación. Estas arquitecturas remiten a un imaginario protagonizado por imágenes-objeto de otros objetos técnicos (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Esas imágenes-objeto vehiculizan una transferencia eidética de los objetos técnicos que simbolizan. Invención. Estas arquitecturas son el resultado de transferencias tectónicas, que se producen durante el proceso de proyecto, mediante el ensamblaje de materiales, componentes o procedimientos, utilizados en la industria para la producción de otros objetos técnicos. Individuación. Estas arquitecturas evolucionan y se individualizan por concretización, un proceso por el que los objetos técnicos se organizan para seguir su tendencia hacia la integración de sus partes, con el fin de alcanzar la convergencia de funciones en una única estructura. Esta integración tiende hacia la naturalización del objeto técnico, mediante la inclusión simbiótica de sus medios naturales asociados. En este caso, veremos cómo se ha producido transferencias orgánicas, o lo que es lo mismo, cómo los objetos técnicos –en el nivel de los conjuntos técnicos- se han tomado como modelo de organización por la arquitectura. Tras comprobar que de ellas existe una génesis, que evoluciona por las fases de imaginación e invención y concretización, se analiza su imaginario, su materialidad, sus estructuras y su organización, con el fin de detectar patrones y principios organizativos comunes a otros objetos técnicos. Interés de la tesis Desde el comienzo del nuevo siglo, diversos autores han demostrado un renovado interés por definir qué es el proyecto, qué lo constituye para qué sirve. Las aproximaciones al tema provienen de la filosofía analítica (Galle, 2008) o de la filosofía de la tecnología (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) y a menudo versan sobre la relación entre diseño y la cultura material (Dorschel 2003, Boradkar 2010 o Preston 2012). Es importante indicar el reciente y también creciente interés suscitado por la obra del filósofo francés, Gilbert Simondon [1924-1989], reconocida por su importante contribución a la filosofía de la técnica y la fenomenología, y por la influencia en el pensamiento de filósofos como Gilles Deleuze, autor presente en multitud de tesis doctorales e investigaciones teóricas llevadas a cabo en las principales escuelas de Arquitectura de todo el mundo desde los años 90 hasta el presente. La reedición y traducción de la obra de Simondon (ing. 1980, esp. 2008) ha recibido la atención de filósofos actuales como Paolo Virno, Bruno Latour o Bernard Stiegler, que siguen recurriendo a su estudio y análisis para avanzar en su pensamiento, estando por tanto presente en el debate contemporáneo sobre la técnica. Tras su reciente traducción al español, el pensamiento de Simondon ha despertado un gran interés en América Latina, como demuestra la organización de varios congresos y simposios, así como la proliferación de publicaciones en torno a su obra y pensamiento. Las futuras traducciones del resto de sus principales obras, asegurarán una introducción cada vez mayor en la comunidad académica. Se ha procurado presentar una mirada alternativa de la Historia de la Arquitectura Moderna, utilizando como guía a un cronista como Reyner Banham. La Era de la Máquina se ha cruzado con la Mecanología y el “vitalismo técnico” de Simondon, obteniendo como resultado una interpretación fresca, renovada y optimista de algunas de las más importantes obras de Arquitectura del siglo XX, que seguro contribuirán al desarrollo de la del siglo XXI, inmerso ya en el cambio de paradigma hacia la sostenibilidad y la ecología. ABSTRACT 'TRANS architecture. Imagination, invention and technical individuation of the architectural technical object. Technology transfer from the Transport Industry to Architectural Design [1900- 1973]' is a thesis dealing with the relationship between Architecture and the Technical Object during Modernity5. The theme of the thesis revolves around the technical culture, material culture and the history of twentieth-century technology. Hypothesis Held here is the existence of some architectures defined as technical objects. A study has been developed to prove if those architectures share the ontological properties of a technical object. Industry and Architecture The history of Modern Architecture is also the history of modern industry and its facilities, its products and devices, its procedures and production processes. Factories, workshops, steel mills, shipyards, mines, refineries, laboratories, cars, yachts, airplanes, airships, shuttles, space stations, home appliances, personal computers, mobile phones, motors, batteries, turbines, rigs, hulls, chassis, bodies, fuselages , composites and synthetic materials, the assembly line, modular manufacturing, the supply chain, process engineering, the planned obsolescence ... All these technical objects are constantly evolving thanks to the inconsistency of the human imagination and, as our intermediates, keep changing our way of relating and being in the world. Architecture, alike other technical objects, mediates between man and the World. In order to frame the vast field of the research, it has been filtered according to various parameters and qualities of Industry, establishing also a time frame which is related to a particular science-based way of making. The start of an industrial development, based on scientific knowledge is given from the Second Industrial Revolution -by consensus on the last third of the nineteenth century. This frame puts the focus of the thesis in the process of industrialization experienced by the Architecture of at least one century, and tours through Modernity during the first 75 years of the twenieth century. During this time, architects have made transfers of images, techniques, processes and materials from Industry, serving as a source of knowledge and thus allowing Architecture to evolve as a discipline. To reasonably address the enormous scope of the thesis, the industrial sector of transportation has ben chosen. It is not only a historical source of inspiration for architects, but also a traditional source of technology transfer for Modern Architecture. Technical sets such as shipyards, automobile factories or aircraft hangars, technical individuals as boats, cars or planes, and technical elements like the structures shaping and supporting them, are all technical objects which share properties with the architectures here presented. The launch of the moving assembly line in 1913, is instrumentally taken as a first time focus, from which to describe the evolution of many technical objects in the First Machine Age; a second focus could be found in 19586, year of the creation of the North American Space Agency (NASA), serving as a reference to the Second Machine Age. Most architectural technical objects used to test the hypothesis, gravitate around this second focus, in a range of plus or minus 25 years, with a clear intention to synchronize the time for action and time of thought. Architecture and Technical Object Technical objects have always been related to Architecture. In the past, the same technician who planned and oversaw a building structure, invented the devices and machines to carry them out. The foremen were the true 'technology transfer agents' from Industry. Their knowledge naturally related different manufacturing techniques to make diverse technical objects. Brunelleschi invented various cranes to build the dome of Santa Maria dei Fiori in Florence (ca.1461). Probably inspired by the reedition of Vitruvius’ treaty De Architectura (15 BC), whose last chapter was dedicated to the machines of classical Roman architecture and quoted inventors as Archimedes, the florentine architect was the first to patent an invention in 1421: an amphibious craft serving as a means of transportation for Carrara marble along the Arno river. At the daw of the Second Industrial Revolution, whose development was based on the scientific knowledge, we find a primitive modern example of the relationship between Architecture and a Technical Object: The Crystal Palace, built in London for the Great Exhibition of 1851 World Industry and designed by Joseph Paxton, was the largest to date industrialized building, and it will be always associated with the McCormick Reaper, worthy of the Grand Jury’s Prize. Similar characteristics could be emphasized of both technical objects, such as their industrial origin and for being be the complex result of a simple assembly of technical elements. Since then, technological development has experienced a continued acceleration, resulting in an increasing specialization and separation of knowledge about techniques which were naturally attached in the past. This process has happened at the expense of an integrative knowledge and against promiscuity between Industry and Architecture. This is, undoubtedly, an inherent sign of our time, which causes the natural and interest of architects and other technicians about transfers, trans-disciplinarity and inter-disciplinarity, as a reaction to reestablish channels of relationships between these different fields of knowledge. The emergence of technical objects as modern vehicles in the early twentieth century (the car, the Ocean liner, the airship or the airplane) is directly related to the Architecture of the First Machine Age. Modern architects’ fascination for those new ‘inhabitable’ structures has been maintained for over a century, with different intensity and paying attention to one and other technical objets, ranging from the domain of the symbolic value of the vehicles as objectsimages, during heroic period of the First Machine Age, to the more inquisitive glance characterizing the Second Machine Age, which sought a deeper understanding of the organization of such objects and the technical system to which they belonged. The periods immediately following both World Wars, showed a concentrated effort to bring new images of vehicles to the imaginary of architects, by means of publications and exhibitions. The homologous relationship between architectures and vehicles, in their capacity as living structures, is something well known since Le Corbusier used the images of cars, boats and airplanes to illustrate his manifesto, Towards an architecture in 1923. Modern vehicles have been the means by which to convey the concepts eager to transform the traditional attributes of Architecture: those relating to its manufacture, habitability, duration, functionality or aesthetics. The automobile stands out during the 30s and 50s, and the new vehicles of the Space Program satnd in the 60s and 70s. The prior knowledge and documentation of these events were a good indication to identify the industrial sector of Transportation as one of especial importance and as a fertile provider of technology transfer cases for Architecture. The Modern tradition, inaugurated by Le Corbusier in the 20s, has been maintained and defended by a host of modern architects like Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames and Craig Ellwood, whose work - inspired by the legacy of previous technologists as Bucky Fuller or Jean Prouvé- was fundamental and a mandatory reference for the next generation of architects like Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean and Richard Horden Kaplicky, among others. They have all contributed to increase the imaginary of the technical object, adding to it their architectural works. In the passage of the thesis, we repeatedly find a number of architects, who have been grouped according to a 'genealogical' structure, which has been called 'Technical Lineage'. Gathered by common interests and similar views or attitudes to the architectural design, understood as a technical object, they have operated through the practice of technology transfer, without limiting itself to specific compositional techniques of the architectural discipline. During the investigation, a selection of explicit references made by those architects, about other technical objects referring to their Architecture, has been compiled, showing constants and variations in their interests throughout the century, which has led to conclusions such as, having technicians sets (zeppelins factories, airships factories, car factories and shipyards) been taken by the architects of the first Modernity, as their main formal, compositional and imaginary models, while the Second Machine Age had taken them as a spatial and organizational model for their architecture. The above mentioned lineage of technologists includes weel-known ‘seed lines’ as: Eiffel- Suchov-Behrens, Gropius-Mies-LeCorbusier- Lods-Prouve, in continental Europe; British branches as Loudon-Paxton-Williams-Stirling- Gowan-Smithsons-Price-Archigram-Foster- Rogers-Piano-Kaplicky-Horden. And we could also find intercontinental connections as Fuller- Eames-Rudolph-Foster-Rogers, or other less predictable ramifications as LeRicolais-Kahn Piano-Kaplicky, or LeCorbusier-Frey-Lacaton & Vassal... Many more would surely deserve to be included in this list, and indeed, the thesis assumes the impossibility of including them all (for practical reasons) and even contemplates possible future extensions. The material included herein is to demonstrate the continuity in the approaches, statements and in the applied architectural design techniques, from which we can draw some conclusions. Today, one hundred years after Ford put up the moving assembly line, we still find this tradition alive in the words of the architect Richard Horden, whose work carries with it –as with the information embedded in every technical element- the whole techncial culture of a modern tradition. Horden is represented here as one of the exponents of what I have called the lineage of technologists. That is why I wanted to conclude the thesis with an interview to Richard Horden, held in May 2015 in his studio in London's Berkeley Square (see Appendices). Guides For the development of this thesis, another thesis, entitled: The mode of existence of technical objects, is taken as the main reference work. Read and published in 1958 by the French philosopher Gilbert Simondon [1924- 1989], it was dedicated to the ontology of the technical object. This work frames the intellectual approach of the thesis, which connects with phenomenology to mobilize a particular vision of Architecture. It is used as a model of ontological analysis to study its genesis, invention and evolutionary processes. To develop these, another work by the same author, titled Imagination and Invention (1965- 1966) has been used as a bibliographical complement. As for the disciplinary historical sources, Reyner P. Banham [1922-1988] and Martin E. Pawley [1938-2008] have been chosen as guides through the modern Architecture of the twentieth century. Their cronical reports on the First and Second Machine Age and their critical works have served as an index from which to reconstruct the imaginary of the modern technical object in the Machine Age7, and to stock up on projects and works of architecture, used as case studies for the thesis. These works have also been used as triggers for other literatures, which has been complementary to the former. Objectives of the Thesis The main objective of the thesis is to prove its hypothesis: if a work of architecture can be considered a technical object and under what conditions, building then a criterion for recognizing when a work of architecture meets the definition of a technical object. Another aim is to demonstrate the importance and power of Technology Transfer in the evolutionary process of Architecture, and to do it, some examples of a methodology for architectural design that Martin Pawley called 'Design by Assembly' are presented. It is also an objective to reconstruct an Atlas of the imaginary of the modern technical object, in order to better understand the causes, reasons and purposes that led modern architects to pursue architecture as a technical object. This Atlas allows to panoptically relate the various technical objects, revealing the true importance and significance of those and the architecture with whom they interact. Architectures are again at the largest and most complex industrial context and the history of technology, which always belonged. Thus, they are able to reveal all the knowledge-in the shape of information-carried in their own 'genetic' code, displaying full chapters of technological culture as old as mankind and constantly growing and evolving. Thesis: Proving the Hypothesis Simondon ontologically defined the technical object as ‘that of which genesis exists’ and that develops ‘a tendency towards solidarity and unity’. For an architecture to be recognized as a technical object, a number of conditions should be given, in the successive phases involved in their mode of existence: Imagination. These architectures refer to an imaginary featuring images-object other technical objects (technical sets, technical individuals and technical elements). These images are the means to an eidetic transfer of the technical objects which they symbolize. Invention. These architectures are the result of tectonic transfers, which occur during the architectural design process, by assembling materials, components or procedures used in industry for the production of other technical objects. Individuation. These architectures evolve and are individualized by ‘concretization’, a process leading to the full integration of its parts and aiming the full convergence of its functions into a single structure. This integration tends towards the naturalization of the technical object, by means of a symbiotic incorporation of their associated milieus. After checking if there is a genesis of them, which evolves through the phases of imagination and invention and concretization, their imaginary, materiality, structure and organization are analyzed in order to detect patterns and common organizational principles to other technical objects counterparts. Structure The main text of the thesis consists of three parts. Before there is an Introduction to the main concepts that are exploited in the thesis on ontology Simondonian technical object, and technology transfer applied to Architecture. Then a first part covers the Imaginary of the modern technical object, a second part is dedicated to the Invention and a third part to the individuation process The thesis ends with a section for the Discussion and the Conclusions. The Introduction to the technical object, this is ontologically defined and its different categories are distinguished. The process of genesis of the technical object and the phases of imagination, invention and indivuation are explained. Concepts as Transduction, Technicality and Technical system are presented for being fundamental to understand the concept of Technology Transfer that will take place later. The concretization is explained as the particular mode of individuation and evolution of technical objects, a process by which the different parts of a technical object, are integrated and begin a tendency towards a convergence in itself. The first part, dedicated to the Imagination of the architectural technical object presents a parcial "archaeological" reconstruction the imaginary of the modern technical object, intended to better understand its genesis and the relationship with other technical objects. The imaginary sources are searched in the premises of the Industry of the early twentieth century, and particularly in the factories of modern vehicles, in order to see, to what extent these technical objects were important to imagine modern architecture. The reconstruction is continued until the Second Machine Age, when a new, more inquisitive and precise gaze turns to other factories, other vehicles and other components and materials, inquiring now about their organizational qualities. The second part is devoted to the Invention of the architectural technical object. The effectiveness of the simondonian concept of Transduction is checked: a transmitted and transformed sign or information, which relates to Technology Transfer, a synergetic process by which an industrial sector benefits from the development of another sector, to which some architects and historians have explicitly referred to explain their works during Machine Age, and which is crucial for the development of the industry. Technology transfer would be the transmission of a set of information or knowledge about technique, including the factual sphere of technique, but also the sensitive sphere of experience. In their application to Architecture, these transfers have been classified according to three types: Eidetic, Tectonic and Organic. Eidetic Transfers operate from an intuitive knowledge and are useful for transmitting information about the essence of the technical object serving as a source. Abstract concepts are transmitted through the object-images to produce an equivalent transformation in Architecture. A group of concepts that have been the subject of technology transfers of eidetic nature, and have been originated in the imaginary of the modern technical object, have been detected as a result of the research: FABRICATED, INHABITABLE, FUNCTIONAL, EFFICIENT, OBSOLESCENT, and BEAUTIFUL. The transfers can also be Tectonic when, that which is transferred is a constructive or structural technique, applied through artificial MATERIALS such as metals, composites as the ferrocement, or plywood, or alloys such as aluminum; or by means of the assembly of STRUCTURES or parts of other technical objects such as hulls, fuselages, car bodies or rigs, resulting in the invention of a new architectural technical object. In the case of ORGANIC transfers, what is transferred is an organizational technique, applied by means of a set of PROCEDURES defining the activity of the architect as a technologist and inventor of technical objects. These procedures have a transformative effect on three traditional institutions for Architecture: the School, the Atelier and the Work, and the results are summarized in new models of organization of the Education of Architecture, with the onset of the Architectural Design Studios or workshops; new models of organization of the practice of architect: the technical office; and new models of space organization, based on the spatial organization of the industry, resulting in spatial patterns or spatial matrices; a new model of organization of the project, which uses graphical tools and industrail protocols as the assembly as a methodology; a new model of architectural production based on the industrialization. After explaining the concepts and the genesis of assembly and montage, Design by assembly is presented as a method that promotes architectural invention, and is shown using some case studies analyzed in the thesis, in which there has been made some conceptual, constructive or organizational transfer. After analyzing the architectures studied in the thesis, genetic method proposed by Simondon was used to understand every particular evolution, reconstructing their genealogical lines up to their ancestors, identifying a series of genetic lineages, which correspond to the technical sets studied in the thesis : the shipyard, the car factory, and aircraft factory. The real ancestors of Modernity. The spatial organization systems of these technical sets are directly related to the technical object that is fabricated within them. From that point, a number of operational matrices are defined (MILL, SHOP, SHED) and used to make a taxonomy of the architectural technical object. This is exemplified by some projects by architects as Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean and Richard Horden Kaplicky. Interest of the thesis Since the beginning of the new century, several authors have shown a renewed interest in defining what a project is, how it is constituted and what it is for. The approaches to the subject are brought from analytic philosophy (Galle, 2008) or from the philosophy of technology (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) and they often speak about the relationship between design and material culture (Dorschel 2003, 2010 or Preston Boradkar 2012). It is also important to note the recent and growing interest in the work of French philosopher Gilbert Simondon [1924-1989], mainly known for its important contribution to the philosophy of technology and phenomenology of the technical object, and the influence on the thinking of contemporary philosophers as Paolo Virno, Bruno Latour or Gilles Deleuze, being the latter a author present in many doctoral theses and theoretical research conducted at major architecture schools around the world since the 90s to the present. The republication and translation of the work of Simondon (eng. 1980, spn. 2008) has received the attention from current philosophers such as Bernard Stiegler who continues to use its study and analysis to advance his thinking, thus being present in the contemporary debate about the technique. After its recent translation into Spanish, the thought of Simondon has aroused great interest in Latin America, as evidenced by the organization of various conferences and symposia, as well as the proliferation of publications about his work and thought8. Future translations of the rest of his major works, will ensure increased introduction in the academic community. Efforts have been made to present an alternative view of the History of Modern Architecture, using a reporter as Reyner P.Banham as a guide. The Machine Age intersects Simondon’s mechanology and his "technical vitalism", resulting in a fresh, renewed and optimistic interpretation of some of the most important works of Architecture of the twentieth century, which will surely contribute to the development of this century’s Architecture, already immersed in the paradigm shift towards sustainability and ecology.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.