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USO DE FIBRAS VEGETALES PROCEDENTES DE EXPLOTACIONES AGRÍCOLAS

EN LA EDIFICACIÓN SOSTENIBLE

TESINAUniversidad Politécnica de Cataluña

Escuela Técnica Superior de Arquitectura de BarcelonaDepartamento de Construcciones Arquitectónicas IMáster en Arquitectura, Energía y Medio Ambiente

ARQ. CARLOS COBREROS RODRÍGUEZ, TUTOR: DR. JAUME AVELLANEDA DÍAZ GRANDE

OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN:

“Estudiar las posibilidades de aplicación de fibras vegetales procedentes de explotaciones agrícolas c omo material de construcción en la edificación sostenible”.

Se pretende llegar a conclusiones sobre el uso y aplicaciones de unos materiales naturales, de bajo impacto ambiental, poca energía primaria incorporada y baja emisión de CO2 equivalente.

USO DE FIBRAS VEGETALES PROCEDENTES DE EXPLOTACIONE S AGRÍCOLAS EN LA EDIFICACIÓN SOSTENIBLE

METODOLOGÍA:

-Análisis del contexto ambiental actual.

-Estudio teórico y trabajo bibliográfico sobre las características y disponibilidadde dichas fibras vegetales.

-Estudio, y análisis crítico de la tradición y el us o actual de las fibras vegetales como materiales de construcción en la edificación sostenible.

-Evaluación del Impacto ambiental y la repercusión de los materiales compuestos por fibras vegetales procedentes de explotaciones agrícolas.

CONTEXTO MEDIO AMBIENTAL

REVOLUCIÓN AGRÍCOLA = AUMENTO DEL RENDIMIENTO ECONÓMICO = TRANSFORMACIÓN DEMOGRÁFICA = CAMBIO DE ESTRUCTURA SOCIAL.

S XIX. REV. INDUSTRIAL = ENERGÍA MECÁNICA = AUMENTO AÚN MAYOR DE LA CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN.

1972, REUNIÓN DE ESTOCOLMO: SE RELACIONA EL MODELO INDUSTRIAL DE DESARROLLO Y EL DETERIORO AMBIENTAL.

CONCIENCIA DE ESTAR SUPERANDO UN LÍMITE MEDIO AMBIENTAL = IDEA DE CRISIS AMBIENTAL.

1987, INFORME BRUNDTLAND = DESARROLLO SOSTENIBLE.

2050: El consumo de energía mundial se habrá doblado = Gran parte del consumo es en base a combustibles fósiles = Emisiones de CO2 y consecuente calentamiento global.

INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN = Consumo de 50% de recursos mundiales = Responsable del 50% de las emisiones de CO2.

CONDICIÓN DE SOSTENIBILIDAD = GESTIÓN EN CICLOS CERRADOS DE LOS FLUJOS MATERIALES.

¿CÓMO? = Energías renovables, eficiencia energética, baja energía incorporada del material, captación y reciclado del agua, uso de materiales naturales, recursos renovables, locales o reciclados, con equilibrio de emisiones de CO2.

RELACIÓN ENTRE POBLACIÓN, CONTAMI-NACIÓN, PRODUCCIÓN INDUSTRIAL, ALIMENTACIÓN Y RECURSOS

CONSUMO ENERGÉTICOEN EDIFICACIÓN


NATURALEZA Y TRADICION EN EL PROYECTO SOSTENIBLE

NATURALEZA Y BIOSFERA : Sistema de producción sostenible = Uso de energía solar, del flujo del agua y de la energía gravitatoria = Flujo de los materiales en ciclos cerrados.

RECURSO NATURAL: Garantía para el medio = Consustancialmente más sano que el material sintético.

SOCIEDAD ORGÁNICA O TRADICIONAL:

-Lecciones de ecología para el presente = Sistemas técnicos basados en gestión del medio natural = Máximo aprovechamiento, sin disminución de potencia productiva aprovechable = Recursos naturales y locales (aire, agua, tierra, sol, plantaciones superficiales, arbustivas y arbóreas)

-La escasez local fomenta el reciclaje en la sociedad orgánica = Utilización de los residuos , tanto de otras construcciones, como de otros ámbitos de producción como la actividad agrícola.

-Se devuelven los materiales a la biosfera como residuos orgánicos = Cierre del ciclo de los flujos materiales = CONDICIÓN DE SOSTENIBILIDAD


FIBRAS VEGETALES: CARACTERÍSTICAS GENERALESLas fibras son estructuras unidimensionales sólidas y flexibles, con una longitud normalmente muy superior a su diámetro

FIBRAS VEGETALES: CARACTERÍSTICAS GENERALES

-Son estructuras compuestas básicamente por Lignina y Celulosa .

Ligninas: impermeabilizan y proporcionan dureza y resistencia. Celulosa: elemento esencial que aporta resistencia a tracción y flexibilidad.

-Fibras vegetales leñosas y no leñosas : Se diferencian básicamente por su procedencia y en la proporción contenida de Lignina y Celulosa.

-Las plantas : Adaptadas a geografías y climas donde la flexibilidad es necesaria. Crecen rápidamente, desarrollan hojas y tallos largos y resistentes.


TIPOS Y ESPECIES DE FIBRAS VEGETALESExisten alrededor de 50 tipos de especies de plantas conocidas como fuentes de fibras vegetales útiles para la construcción.

ALGODÓN (Gossypium)Fibra: Del fruto que crece alrededor de las semillas de la planta.

-La fibra natural más popular.

-Material reciclable y bio-degradable.

-El algodón se cultiva por la fibra de la semilla y el tallo queda como residuo pero puede ser también una excelente fuente de fibra.

CÁÑAMO (Cannabis Sativa )Fibra: Del tallo. Es la fibra más resistente en Occidente.

-Cultivo fácil, que se adapta a las condiciones climáticas del Levante peninsular.

-Rápido crecimiento = No suele requerir Herbicidas.

SISAL(Agave Sisalana)Fibra: De la hoja de la planta = Fibra dura.

-Se da en variedad de climas calientes.

-Naturalizada en la Península Ibérica.

LINO (Linum usitatissimum)Fibra: Del tallo. Fibra de gran resistencia.

-Se utiliza en variedad de productos.

-Se cultiva en nuestro clima

YUTE (Corchorus Olitorius)Fibra: Del tallo.

-La más barata de las fibras textiles y la segunda más usada, después del algodón.

-No cultivo en nuestro clima.


TIPOS Y ESPECIES DE FIBRAS VEGETALES

MAÍZ (Zea Mais)Fibra: Tallos del maíz con interior esponjoso rodeado de una capa exterior altamente lignificada que da resistencia a la estructura fibrosa.

-Subproducto, Desperdicio habitual que se puede aprovechar.

CEREALESFibra: Paja (material fibroso). La paja es el tallo seco de la planta.

-Cereales de caña delgada: Trigo, Cebada, Avena, Centeno y Arroz . Otras especies, menos importantes.

CAÑA (Arundo Donax L)Planta herbácea naturalizada en la Península Ibérica.

-Especie invasora de rápido crecimiento, sin problemas de recolección.

-Material que la naturaleza produce anualmente y que se encuentra ampliamente disponible .

-Subproducto agrícola: Hay un alto porcentaje de paja, que se desperdicia, que se puede usar para fines industriales.

-Impacto ambiental: Suele ser muy bajo. Su retirada del campo puede suponer un aporte al medio = Aunque es un material biodegradable, reutilizable y reciclable .

ESPECIES ARBUSTIVAS(ESPARTO, JUNCO, ANEA, BORRÓ)

-Especies herbáceas de crecimiento natural.


PANORAMA DE LA PRODUCCIÓN DE FIBRA VEGETAL

Desarrollo comercial de las Fibras Vegetales = Fuente de recursos homogénea y garantizada a largo plazo = Producción agrícola bajo sistema dinámico de gestión = Agricultura sostenible.

-Desafío: Equilibrar toda la demanda de fibra y las necesidades ecológicas de la tierra simultáneamente.

-Fuente sostenible de fibra: “Cultivo Herbáceo Extensivo” y “Cultivos Industriales” .

-En nuestro entorno geográfico , como en el resto de Europa y a nivel mundial: Los cultivos de cereales son los mas importantes, seguido de los cultivos oleaginosos .


RESUMEN NACIONAL DE SUPERFICIE, RENDIMIENTO Y PRODUCCIÓN DE CULTIVOS DE CEREALES EN ESPAÑA, 2006.


CULTIVO DE CEREALES

Cultivos de cereales: Fuente de recurso más importante para la obtención de materiales fibrosos lignocelulósicos, además de las explotaciones forestales y los cultivos industriales en la Península Ibérica.

-Destacan los cultivos de cebada en primer lugar y de trigoen segundo.

-Los cultivos de Maíz y de Arroz , también suponen un importante aporte de producción y obtención de materiales fibrosos.

CULTIVOS INDUSTRIALES

Menor relevancia en producción y rendimiento , pero con un gran potencial como fuente de recursos para la obtención de fibras lignocelulósicas.

-Posibilidad de uso del bagazoprocedente de los cultivos de caña de azúcar .

-Cultivos Oleaginosos: Se pueden aprovechar los subproductos.

RESUMEN NACIONAL DE SUPERFICIE, RENDIMIENTO Y PRODUCCIÓN DE CULTIVOS INDUSTRIALES EN ESPAÑA, 2006.


BOSQUES Y MADERA PER CÁPITA

FIBRAS VEGETALES COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

La idea de usar fibras vegetales para producir materiales útiles para el hombre es bastante antigua.

-Hoy día, sólo una cantidad determinada de fibra puede ser extraída de los bosques sin el agotamiento de los suelos.

-Aumento demográfico = Aumento en el consumo de productos forestales e Incremento en demanda de paneles aglomerados = Producción forestal no suficiente .

-También se hace uso de fibras como el amianto y otras fibras sintéticas = alto coste energético e impacto ambiental alto y con peligro para la salud.

-Medio alternativo de suministrar fibra como material de construcción = Fibras Vegetales procedentes de productos y subproductos de actividades agrícolas.

-Cultivos agrícolas = Fuentes de recursos renovables

-Fibras Vegetales = Biodegradables = Se cierra el ciclo de los flujos materiales en construcción.

DEMANDA DE PANELES AGLOMERADOS DE MADERA


ANTECEDENTES COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

Primeros materiales de construcción empleados por el género humano = Ramas, hojas, hierbas y otras fibras naturales = Refugios y cobijos simples, toscos y adecuados a su vida nómada.

-Hombre primitivo = Materiales localmente disponibles.

-Luego con estos materiales dúctiles y livianos debió crear unidades estructuralmente rígidas y durables.

REPRODUCCIÓN DE PINTURA RUPESTRE, MUJERES CON CESTAS DE FIBRAS VEGETALES COBIJO NÓMADA ANGLOSAJÓN

VIVIENDA RURAL EN TOGO

REPRODUCCIÓN DE CASAS CELTAS COLMO GALLEGO BARRACA EN EL DELTA DEL EBRO

GRANERO DE SIDI MOUSA, MARRUECOS


EN LA ACTUALIDADCOMO ELEMENTO DE CUBRICIÓN

Material fibroso : Paja de cereales, ramas de brezo, lino, caña, juncos, borró, hojas de palma, retama.

-Materia prima renovable y local. -Problemas: Poca durabilidad, fuego, y baja aceptación.

COBIJO NÓMADA ANGLOSAJÓN

VIVIENDA RURAL EN TOGO

BARRACA EN EL DELTA DEL EBRO

RESIDENCIA BALNEARIO, URUGUAY (1997)

EN CERRAMIENTO: BALAS O FARDOS DE PAJAMaterial fibroso : Paja de cereales.

-Producción: Baja energía, emisiones CO2 nula, Impacto ambiental bajo. -Sistemas: Estructural (Nebraska), No estructural (Aislamiento).-Resistencia al fuego F90, clase B2.-Aislamiento acústico: 43-55 dbA.-K= 0,0456 w/mK (“Passiv Haus”).-Durabilidad: Más de 100 años. -Humedad mayor de 15% = Aparición de hongos, putrefacción.-Formato y dimensiones dadas.-Baja aceptación.


MAQUINA EMPACADORA

MURO DE CARGA DE BALAS DE PAJA

CASA ESTILO GASSCHO, JAPÓN (1995)

CASA EN ISLINGTON, LONDRES ( 2001)

CASA DE BALAS DE PAJA, M.BOLESLAV (2000)

PREFABRICADOS CON BALAS O FARDOS DE PAJAMaterial fibroso : Paja de cereales. (Soporte de madera u otro material).

-Producción: Baja energía, emisiones CO2 baja, Impacto ambiental bajo. + Facilidad y rapidez de montaje.-Formato y dimensiones dadas.-Características y rendimientos simila-res a la construcción con fardos.-Producto acabado: Menos problemas de humedad, más durabilidad y menor peligro de combustión.-Optimización de recursos.-Rapidez de montaje, menos mano de obra requerida.

CASA CON PANELES PREFABRICADOS (2004)

EN ESTRUCTURAMaterial fibroso : Junco, junco gigan-te, cañas, bambú.-Producción: Rápido crecimiento natural, baja o nula energía, son plantas captadoras de CO2-Material resistente de fácil montaje.-Material reciclable.-Poca durabilidad.


MONTAJE DE PANELES TRANSPORTE DE PANELES

PROYECTO PILOTO, PERCHTSDORF ( 2001)

CONSTRUCCIONES CON CAÑA, EXPO 2008 ESTRUCTURA DE BAMBÚ

EN CERRAMIENTO COMO REFUERZO Material fibroso: Sisal, cáñamo, estopa de coco, bonote, aserrín, paja de cereales, cáscara de arroz, hierbas y diferentes ramajes. (refuerzo para retracción).

-Producción: Baja energía, Baja emisiones CO2, muy bajo impacto.-Material local, renovable, reciclable y biodegradable.-Buenas propiedades de aislamiento termo-acústico-Buena resistencia -Fácil aplicabilidad y montaje-Baja aceptación

TIPOS:

-CONTINUO DE TIERRA ALIVIANA-DO CON FIBRAS, O CAL REFOR-ZADO CON CÁÑAMO

-ENTRAMADOS DE FIBRAS RELLE-NOS CON BARRO

-BLOQUES DE TURBA, BL. DE TIERRA-SISAL, BL. TIERRA/CAL -CÁÑAMO, BL. ADOBE.

CASA DE ADOBE, WORCESTER, R. UNIDO


GRANJA CONSTRUIDA CON TURBA, IRLANDAGRANJA CONSTRUIDA CON TURBA, IRLANDA

CERRAMIENTO CON TÉCNICA BAHAREQUEMUROS DE CÁÑAMO/CAL, Y CÁÑAMO/TIERRA

LADRILLOS DE TIERRA ALIGERADA CON PAJA

EN CUERDAS, TEJIDOS Y ENTRETEJIDOSMaterial fibroso: Sisal, esparto, cáñamo, yute, kenaf, paja de cereales, fibra de coco, bonote, juncos, hojas de palma, juncos.

-Excelente resistencia-Producción: Baja energía, y baja o nula emisión de CO2-Material biodegradable-Material reciclable-Problemas con durabilidad (ventaja cuando es desecho)

GEOTEXTIL VEGETAL

EN GEOTEXTILESMaterial fibroso: Sisal, paja, bonote de coco, yute.

-Refuerzo de diques o terrenos.-Temporalmente resistente, permite enraizamiento y para cuando el terreno ha asentado y consolidado es biodegradable.


HILOS DE CÁÑAMO

ESTERA DE ESPARTO

GEOTEXTIL VEGETAL

N. MANDELA MUSEUM, SUDÁFRICA (2001).

PABELLÓN DE ENREDADERAS, USA (2005).

EN PANELES Y COMPUESTOSMaterial fibroso: Paja de cereales, sisal, cáñamo, cáscaras de arroz, bagazo, tallos de maíz, kenaf.

-Principal salida comercial para fibra vegetal lignocelulósica.-Alternativa a paneles de madera (Con alta demanda) y de asbesto (Tóxico).-Buen aislamiento termo-acústico.-Baja combustión.-Buena resistencia.-Material ligero.-Paneles de paja sin necesidad de resinas y colas.-No homogeneidad.-Materiales algo más pobres que paneles de madera > Posibilidad de combinación.

MANTA DE FIBRA DE CÁÑAMO

EN AISLAMIENTOMaterial fibroso: Cáscara de arroz, paja, cáñamo, lino, celulosa, algodón.

-Importancia de Aislamiento hoy día.-Materiales menos tóxicos.-Baja energía y emisiones CO2.-Buenas prestaciones.


PANELES DE PARTÍCULAS DE CÁÑAMO

PROCESADO DE AISLAMIENTO DE CÁÑAMO

MATERIA PRIMA PARA PANELES “STRAMIT” MÁQUINA DE PRODUCCIÓN DE PANEL “STRAMIT”

PANELES ALIVIANADOS DE PAJA “KARPHOSIT”

IMPACTO AMBIENTAL

ENERGIA: Plantas con capacidad de capturar energía solar y utilizar esa energía en su crecimiento y producción. - Se requiere menos del 10-15% de la energía utilizada en la producción de otras fibras minerales o sintéticas.- Principal impacto: Energía de transporte.

EMISIONES: Las plantas son captadoras de CO2.

CICLO DE VIDA: Recurso renovable por excelencia.- Fibras vegetales 100% biodegradables, al contrario que los materiales sintéticos. - Residuos que pueden ser reciclados o reutilizados en materiales compuestos o como fuente de energía.

RESIDUOS: Producción de residuos sólidos, en agua y aire, menor que en materiales sintéticos. Residuos biodegradables.

RENDIMIENTO: Similar rendimiento y prestación que otras fibras sintéticas o minerales, pero más ligeros y reciclables.

DURABILIDAD: Alto grado de absorción de humedad = Importantes variaciones de peso y volumen = Baja durabilidad. (Afectada por el ataque de microorganismos, insectos, hongos etc.)

TOXICIDAD: Nula o baja toxicidad en comparación con las fibras sintéticas o minerales.

SOSTENIBILIDAD ECONÓMICA: No existe homogeneidad garantizada ni en abastecimiento, ni en propiedades = Factores: clima o método de obtención. - Muy bajo Costo de obtención y producción de la materia prima = Esto puede afectar a la continuidad de suministros.- Con baja inversión = Transformación de sistemas de cultivos y economías rurales. Revalorización de economías agrícolas.

SOSTENIBILIDAD SOCIAL; Localización de fábricas de manufacturación de productos de base agrícola en el entorno local cercano de cosecha = Trabajo y aporte a la economía = Impulso social.


COMPARATIVA SEGÚN ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS


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ELEMENTOS DE CUBRICIÓN- Papel importante en el edificio.- Características importantes: Aislamiento, impermeabilidad, durabilidad, ligereza.

ENERGÍA: - Cubriciones con Paja: Baja energía incorporada.

EMISIONES:-Cubriciones con Paja: Nula emisión CO2.

OTROS IMPACTOS:- Emisión de NOx y SO2 en arcilla, cementos.- Impacto en extracción de Pizarra y Bauxita.- Teja hormigón y fibrocemento = Problema salud.- Caso de acero y aluminio = Diferencia según grado de reciclabilidad.

- Cubierta de Paja: Material renovable, local, biodegradable = Problema de poca durabilidad, problema de incendio y baja aceptación.


K (W/mK)

ENERGÍA

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EMISIONES CO2

(kgCO2eq/kg)

ELEMENTOS DE CERRAMIENTO

ENERGÍA: - Elementos con fibra vegetal: Baja energía.

EMISIONES:-Elementos con fibra vegetal: Baja emisión CO2.

OTROS IMPACTOS:- Emisión de NOx y SO2 en arcilla, cementos.- En general, materiales industriales: Alta energía incorporada y alta emisión de CO2.- Agregados aligerantes en los Bloques de hormigón = alta energía y peligrosas emisiones.

- Elementos con fibras: Materiales renovables y locales, reciclables, sin peligros de toxicidad ni residuos peligrosos.- Buenas prestaciones térmico-acústicas.- Problemas de durabilidad (Paja) y aceptación.

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K (W/mK)

ENERGÍA

(MJ/kg)

EMISIONES CO2

(kgCO2eq/kg)

ELEMENTOS DE AISLAMIENTO

ENERGÍA: - Elementos de fibra vegetal: Baja energía.

EMISIONES:-Elementos de fibra vegetal: Baja emisión CO2.

OTROS IMPACTOS:- Materiales sintéticos o minerales: Alta energía incorporada y alta emisión de CO2.- Peligro Toxicidad.

- Elementos con fibras: Materiales renovables y locales, reciclables, sin peligros de toxicidad ni residuos peligrosos.- Buenas prestaciones térmicas.- Problemas de durabilidad (Paja).

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CONCLUSIONES

-La arquitectura por si sola no puede resolver los problemas ambientales, pero puede contribuir a la sostenibilidad del medio.

-Industrialización = Aumento de producción de productos o subproductos agrícolas = Disponibilidad a muy bajo costo de materia orgánica para construcción sostenible = Valor ecológico añadido .

-Las fibras vegetales lignocelulósicas procedentes de explotaciones agrícolas, como producto o subproducto = Alternativaimportante para soportar el aumento de demanda de fibras de madera y como sustituto de fibras como el amianto .

-Bajo impacto ambiental , poca energía primaria incorporada en su elaboración, obtención y producción, baja emisión de CO2.

-Recurso renovable , abundante, local , baratos, menor generación de residuos que los productos sintéticos, con un método de obtención que se puede considerar saludable y ecológico .

-Poca durabilidad : alta absorción de humedad = vulnerabilidad a agentes biológicos y baja resistencia al fuego. Solución: Buen detalle y ejecución de proyecto.

-Homogeneidad no verificable de propiedades y abastecimiento. Solución: Combinación con otros elementos y Sistema de gestión Dinámico = Agricultura Sostenible .

-Agricultura más competitiva y sostenible = Aumento del uso eficiente de materias primas = Creación de nuevos mercados = Sostenibilidad económica y social.

-Fibras disponibles en el contexto geográfico y climático cercano: Existe alta producción de cultivos herbáceos de cereales , sobre todo de trigo, maíz y arroz = Paja como subproducto más conocido y utilizado. Cultivos industriales poco explotados: Cultivos de cáñamo y lino = Alto potencial .

-Es necesario abrir líneas de investigación y estudio s adaptados a nuestra realidad geográfica-climática, que se sumen a los amplios estudios del uso de fibras vegetales en sus diferentes formatos ya desarrollados en otros países = Sobre el proceso de extracción y de producción de fibras, control de residuos , manufacturación y posibilidades de aplicaciones y uso , ciclo de vida = Certificación en relación al rendimiento del material, prestando especial atención a la calidad y garantía del producto = Aplicación de legislación , normativa , estandarización e incentivos = Estimulo para el desarrollo de estos productos.


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