Note Curs_01.pdf

FIZICA CONSTRUCTIILOR 1

LUMINA NATURALA

1

LUMINA: CARACTER DUAL

 UNDĂ – radiație electromagnetică  PARTICULĂ – flux de fotoni

3

LUMINA: undă

c=n·l c = viteza luminii [m/s]

n = frecvența [Hz] l = lungimea de undă [m]

c = 299.792.458 m/s în vid = 299.724.000 m/s în aer 4

2

LUMINA: particulă

E=h·n E = energia fotonului h = constanta lui Plank n = frecvența

h = 6.6256 ·10-27 Erg/s

5

SPECTRUL LUMINOS

6

3

ULTRAVIOLETE

7

SPECTRUL VIZIBIL

8

4

Lungimi de undă Culoare

Lungime de undă (nm)

Roșu

760-630

Orange

630-590

Galben

590-560

Verde

560-490

Albastru

490-440

Indigo

440-420

Violet

420-380

9

INFRAROȘII

10

5

MARIMI FOTOMETRICE care caracterizează sursele de lumină

• FLUX LUMINOS • ILUMINARE • INTENSITATE LUMINOASĂ • LUMINANȚĂ (STRĂLUCIRE)

11

FLUX LUMINOS (F ) Reprezintă cantitatea de lumină emisă de o sursă

Simbol: F Unitate de măsură: lumen (lm) 12

6

ILUMINARE (E) Reprezintă fluxul luminos distribuit pe o suprafață E=F/A Unitate de măsură: lux (lx) 1lx = 1lm / m2 Luxul = fluxul luminos de 1 lumen distribuit pe o suprafață de 1m2

13

ILUMINARE (E)

14

7

ILUMINARE (E) exemple E [lx]

Soare Cer acoperit

100.000 10.000

Iluminat punctual lucru

1.000

Iluminat zonă circulaţie

100

Iluminat stradal Lumina lunii

10 1 15

INTENSITATEA LUMINOASĂ (I)

Reprezintă cantitatea de lumină emisă de o sursă luminoasă într-un unghi solid Unitate de măsură: candela (cd) – unitate fundamentală SI

16

8

INTENSITATEA LUMINOASĂ (I)

17

UNGHI SOLID (w) Reprezintă raportul între aria pe care unghiul o taie pe suprafața unei sfere și pătratul razei sferei w = A / r2 Unitate de măsură: steradian (sr) Steradianul (sr) – unghiul solid care, de la centrul unei sfere, taie pe suprafața sferei o porțiune de arie egală cu pătratul razei 18

9

INTENSITATEA LUMINOASĂ (I)

19

LUMINANȚĂ (B) Reprezintă strălucirea unei suprafețe, dependentă de iluminarea suprafeței și de fluxul luminos radiat de suprafață spre privitor B = I / (A·cos) Unități de măsură: cd / m2 (nit) , apostilb (asb) – 1 cd/m2 = 3,14 asb  = unghiul format de direcția fluxului luminos incident cu direcția de privire 20

10

LUMINANȚĂ (B)

21

MĂRIMI FOTOMETRICE care caracterizează corpurile

• FACTOR DE REFLEXIE • FACTOR DE ABSORBTIE • FACTOR DE TRANSMISIE 22

11

MĂRIMI FOTOMETRICE care caracterizează corpurile

r++t=1

Fr + Fa + Ft = F 23

MĂRIMI FOTOMETRICE care caracterizează corpurile

Exemple factori de reflexie (reflectanță) tavan

pereţi

pardoseli

var, ipsos

0,8

alb, culori pastel

0,7

culori deschise

0,3

alb, culori pastel

0,7

beton

0,5

culori vii

0,2

lemn natur

0,5

culori tari

0,3

culori închise

0,1

lemn culori închise

0,3

culori închise

0,1

24

12

Mărimi fotometrice

RELAȚIA FOTOMETRICĂ DE BAZĂ

25

ILUMINARE NATURALĂ Distincție necesară

Radiație solară ↔ iluminare Radiația solară directă NU se ia în calcul la determinarea iluminării naturale

26

13

ILUMINARE NATURALĂ • Cer acoperit

ILUMINARE NATURALĂ • Cer senin

14

ILUMINARE NATURALĂ • Cer parțial

acoperit

CER ACOPERIT CIE Overcast Distribuție neuniformă a luminanței bolții L  LZ

sky

1 + 2 sin 3

15

CER ACOPERIT CIE Overcast sky Consecințe: • zenitul este punctul cel mai luminos • luminanța bolții scade la orizont la 1/3 din cea de la zenit • luminanța nu depinde de poziția soarelui și deci orientarea ferestrei nu are niciun efect asupra iluminării încăperii

ILUMINARE NATURALĂ 2 modalități de abordare cantitativă

1. mărimi fizice (flux luminos, iluminare), în condiții exterioare bine precizate 2. valori relative, care corelează nivelul de iluminare interioară cu cea exterioară

16

ILUMINARE NATURALĂ Factorul de lumină de zi (daylight factor) Raportul, exprimat procentual, între nivelul de iluminare într-un punct interior și nivelul de iluminare simultan în exterior sub cer acoperit neobturat

ILUMINARE NATURALĂ Factorul de lumină de zi (daylight factor) Avantaje: - valoare constantă care nu depinde de condițiile concrete de mediu - pot fi făcute determinări la faza de proiectare - nivelul de iluminare interioară se poate calcula ulterior prin operații aritmetice simple pentru orice condiții

17

Factor de lumină de zi Componente 1. lumina directă de la boltă componenta de cer / sky component

Factor de lumină de zi Componente 2. lumina reflectată de suprafețe exterioare încăperii componenta reflectată exterioară/ External Reflected Component

18

Factor de lumină de zi Componente 3. lumina reflectată de suprafețe interioare componenta reflectată interioară/ Internal Reflected Component

Recomandări de proiectare

NP 057/2002 Normativ privind proiectarea clădirilor de locuințe Iluminare minimă: -

încăperi de locuit 30 lx (ez 0,75%) bucătării 60 lx (ez 1,5%)

38

19

Recomandări de proiectare

-

-

ferestre cu înălțime mai mare = iluminare mai bună (partea superioară mai eficientă) protecție solară finisaje cu factor de reflexie mare, culori deschise dublă orientare adâncimea încăperilor (recomandat <6m) 39

Recomandări de proiectare

Ferestre -

H fereastră = min. ½ x adâncimea încăperii Raport A vitrat / A încăpere -

încăperi de locuit 1/6 ... 1/8 săli de clasă 1/3 ... 1/4 băi, bucătării 1/8 ... 1/10

40

20

DETERMINAREA ILUMINĂRII NATURALE INTERIOARE Eint = ez · Eext / 100 ez = factor de lumină de zi

Eext = 4000 lx

41

FACTORUL DE LUMINĂ DE ZI ez = ed + eri + ercl + ertr ed = eri =

componenta de cer

ercl =

componenta reflectată externă, de la clădirile învecinate

ertr =

componenta reflectată externă, de la terenul înconjurător

componenta reflectată internă (de la tavan, pereţi, pardoseală)

42

21

COMPONENTA DE CER ed = ec · q · t ec =

factorul de cer

s = suprafaţa proiecţiei pe planul orizontal a proiecţiei golului pe boltă 43

COMPONENTA DE CER ed = ec · q · t q=

coeficient de neuniformitate a luminozităţii bolţii cereşti

Q = unghiul dintre planul orizontal şi dreapta ce trece prin punctul considerat şi mijlocul golului de lumină

44

22

ILUMINAREA BOLȚII Nomograma de iluminare (1000 puncte)

45

VALORI NORMATE MINIME ALE ILUMINĂRII NATURALE INTERIOARE Categoria lucrării vizuale I II III IV V VI VI … XI

Valoarea iluminării naturale interioare ilum. lateral

lx ez % 140 3,5 80 2,0 60 1,5 40 1,0 30 0,5 10 0,25 4 0,10

ilum. zenital

lx ez % 400 10 7 5 3 2 1 0,75 46

23

FACTORI DE UNIFORMITATE iluminat Tipul încăperilor sau spațiilor

lateral zenital Emin/Emax

Emin/Emax

Incăperi din clădiri civile (birouri, laboratoare, săli de clasă etc.)

0,20

0,50

Incăperi din clădiri industriale categoria I ... V

0,10

0,65

Incăperi din clădiri industriale categoria VI ... VIII

0,10

0,40

-

0,25

Alte categorii industriale, spaţii de circulaţie (scări, coridoare)

47

RAPORT SUPRAFAȚĂ GOL / SUPRAFAȚĂ PARDOSEALĂ Nr 1

2

3

Destinaţie Încăperi în locuinţe - de locuit - băi, bucătării, spălătorii Încăperi de lucru - ateliere - laboratoare de cercetări şi control Încăperi de învăţământ - săli de clasă, cabinete - ateliere, cancelarii, secretariat - coridoare

Raport 1/6 ... 1/8 1/8 ... 1/10 1/5 ... 1/7 1/3 ... 1/4 1/3 ... 1/4 1/6 ... 1/8 1/8 ... 1/10

48

24

INSORIRE PROTECȚIE SOLARĂ ILUMINAT NATURAL

SOARELE Soarele – stea de mărime mijlocie • rază = 695.000 km • volum = 1,42 x 1018 km3 • distanța = 149.450.000 km = 1UA Distanța maximă față de Pământ – Afeliu / 4 iulie - 1,52 x 108 km Distanța minimă față de Pământ – Periheliu / 2 ianuarie - 1,47 x 108 km 50

25

STRUCTURA SOARELUI • Miez – 0,23 R, 8-40 mil. K, 100g/cm3 • Zona radiativă – 0,7 R, 130 mii K, 0,07 g/cm3 • Zona convectivă – cca 5000 K, 10-8 g/cm3

• Fotosfera – sute de km, 6000 K • Cromosfera – 10.000 km, 7000 K, 10-12 g/cm3 • Coroana solară 51

COMPOZIȚIA SOARELUI • Hidrogen

70%

• Heliu

28%

• Carbon

0,5%

• Azot

0,5%

• Oxigen

0,5%

• Alte elemente 0,5% 52

26

RADIAȚIA SOLARĂ

• UV

< 0,35 mm

8-9%

bronzarea pielii • Vizibil

0,35-0,78 mm

46-47%

lumina vizibilă

• Infraroșu

0,78-5 mm

45%

încălzire/arsuri

53

RADIAȚIA SOLARĂ Nivelul radiației la exteriorul atmosferei: 1350 W/m2 Variație: +/- 2% nivel de emisie al Soarelui +/- 3,5% distanță, unghi Pământ

Repartizarea radiației solare

54

27

ELEMENTE DE ASTRONOMIE

Mișcarea Pământului în jurul Soarelui 55

ELEMENTE DE ASTRONOMIE

Înclinarea axei Pământului 56

28

ELEMENTE DE ASTRONOMIE N

°

.5 66

Planul orbitei (ecliptica)

S Înclinarea axei Pământului 57

DIRECȚIA PĂMÂNT-SOARE

N

 = 90°+ 23,5°

N

 = 90°

.0 90

11 3.5

°

° Direcţia Pământ-Soare

S 21 Decembrie Solstiţiul de iarnă

Direcţia Pământ-Soare

S 21 Martie Echinocţiul de primăvară

Unghiul dintre axa polilor și direcția Pământ-Soare 58

29

DIRECȚIA PĂMÂNT-SOARE

N

N  = 90°- 23,5°

 = 90°

. 90 0°

.5°

66 Direcţia Pământ-Soare

Direcţia Pământ-Soare

S 21 Iunie Solstiţiul de vară

S 21 Septembrie Echinocţiul de toamnă

Unghiul dintre axa polilor și direcția Pământ-Soare 59

ROTAȚIA APARENTĂ A SOARELUI Simplificări: • Orbita – cerc • Mișcarea de revoluție – rotație uniformă • Razele Soarelui – paralele între ele și cu direcția Pământ-Soare

Definiții: • • • • • •

Bolta cerească Planul orizontului Zenit Nadir Nord ceresc Mișcarea aparentă a Soarelui

N'

Z L

N



Soare

L Soare

S 60

30

61

ROTAȚIA APARENTĂ A SOARELUI

Conuri descrise de Soare 62

31

ROTAȚIA APARENTĂ A SOARELUI

Poziții ale Soarelui la latitudini semnificative 63

COORDONATE SOLARE Azimut: unghiul în plan orizontal făcut de raza de soare cu direcția sud (corespunzătoare orei 12)

Înălțime: unghiul în plan vertical făcut de raza de soare cu planul orizontului

64

32

DIAGRAMA SOLARĂ Diagrama traseului Soarelui (diagrama solară): Proiecția pe planul orizontului a poziției aparente a Soarelui pe bolta cerească Diagrama solară: • Ortogonală • Echidistantă • Centrală 65

z Construcţia diagramei 1

w'

n V

N

S

E

1. Secțiune verticală prin boltă, prin planul nord-sud

66

33

z Construcţia diagramei 2 he

w'

n V

N

S

E

2. Inălțimea Soarelui la echinocții, he = 90°- L°

67

z

Construcţia diagramei 3 hsv hsi

w'

n V

N

S

E

3. Inălțimea Soarelui la solstiții, hs = he ± 23,5°

68

34

z

m

t.-

p se

e ni iu

Construcţia diagramei 4 ar tie

de c.

w'

n V

N

S

E

4. Traseele aparente ale Soarelui – cercuri pe boltă

69

z

pt

se

e ni iu

Construcţia diagramei 5 .-m tie

ar

c.

de

w'

n V

N

S

E

5. Traseele aparente pentru celelalte luni

70

35

10/14 9/15 8/16 11/13 7/17 12 6/18

z

p se

e ni iu

Construcţia diagramei 6 5/19

4/20

tie ar

m

t.c. de

w'

n V

N

S

E

6. Determinarea poziției orelor

71

10/14 9/15 8/16 11/13 7/17 12 6/18

z

5/19

4/20

m

t.-

p se

e ni iu

Construcţia diagramei 7 tie

ar

c.

de

w'

n V

N

S

E

7. Proiecție centrală punct cu punct

72

36

10/14 9/15 8/16 11/13 7/17 12 6/18

z

Construcţia diagramei 8 p se

e ni iu

5/19

4/20

tie ar

m

t.c. de

w'

n V

N

S

E

8. Trasarea curbelor lunare ale Soarelui

73

DIAGRAMA SOLARĂ

74

37

75

MASCA DE UMBRĂ Masca de umbră este reprezentarea plană a zonelor bolții cerești care nu sunt vizibile dintr-un punct din spațiu. Reprezentarea măștii de umbră se obține printr-o dublă proiecție a obiectelor din spațiu: • o proiecție centrală pe boltă, prin punctul considerat • o proiecție pe planul orizontului a proiecțiilor de pe boltă, printr-una din metodele folosite și la diagrama solară (ortogonală, centrală - prin nadir -, echidistantă) 76

38

77

MASCA DE UMBRĂ

78

39

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră – procedeu simplificat – Premise: – corpurile sunt compuse din fete (suprafețe) plane – suprafețele sunt delimitate de drepte – o dreaptă orizontală are ca reprezentare o curbă în funcție de unghiul sub care este văzută – o dreaptă verticală are ca reprezentare o dreaptă ce trece prin centrul măștii de umbră – dreptele sunt limitate de intersecțiile cu alte drepte 79

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră

Dreapta orizontală – o dreaptă orizontală are ca reprezentare o curbă, trasată în funcție de unghiul h sub care este văzută dreapta in plan vertical

80

40

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră

Dreapta verticală – o dreaptă verticală are ca reprezentare o rază (dreaptă care trece prin centrul măștii de umbră), trasată prin punctul în care verticala înțeapă planul orizontal

81

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră

Intersecția – dreptele nu sunt infinite, ele se intersectează unele cu altele

82

41

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră

Intersecția – dreptele nu sunt infinite, ele se intersectează unele cu altele

83

MASCA DE UMBRĂ Construcția măștii de umbră

Sablon pt. masca de umbra

84

42

MASCA DE UMBRĂ

Olgyay & Olgyay – Solar control & shading devices Princeton University Press, 1957 85

ILUMINAREA BOLȚII

86

43

PROTECȚIE SOLARĂ Protecția solară presupune stabilirea următorilor parametri: • Confortul termic – însorire selectivă • Controlul luminii – evitarea însoririi directe, dar asigurarea unui iluminat natural corespunzător • Elemente de plastică arhitecturală, realizare constructivă, tehnologie etc. 87

PROTECȚIE SOLARĂ Criterii pentru alegerea elementelor parasolare: • eficiență maximă a protecției solare în perioada caldă • permiterea însoririi în anotimpul rece • obtruziune vizuală minimă • reducere minimă a luminii naturale

88

44

PROTECȚIE SOLARĂ Orientare SUD: Soarele este văzut sub unghiuri de înălțime relativ mari (45-68° în România) • elementele orizontale au eficiență maximă • detașare de fațadă (ventilație) • fără obturarea unghiurilor peste 68° • reducere minimă a luminii sosite din partea superioară a bolții 89

PROTECȚIE SOLARĂ Orientare EST, VEST: Soarele este văzut sub unghiuri de înălțime mici • elementele orizontale nu sunt eficiente: obturează prea mult și nu limitează însorirea • se vor utiliza elemente verticale, perpendiculare sau oblice pe fațadă • de asemenea detașare de fațadă (pt. ventilație) 90

45

PROTECȚIE SOLARĂ Orientare EST, VEST: Soarele este văzut sub unghiuri de înălțime mici • elementele orizontale nu sunt eficiente: obturează prea mult și nu limitează însorirea • se vor utiliza elemente verticale, perpendiculare sau oblice pe fațadă • de asemenea detașare de fațadă (pt. ventilație) 91

46