Luminotecnia INDALUX 2002

Capítulo 1.

LA LUZ

1.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.

Características de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3.

Espectro de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.

Naturaleza dual de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

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Capítulo 1. LA LUZ

1.1. Generalidades Es sabido que existen diversos tipos de energía: mecánica, térmica, electrostática y electromagnética. • Si a un cuerpo en reposo se le suministra energía mecánica, éste tiende a ponerse en movimiento transformando la energía suministrada en energía cinética, energía que lleva consigo y que comunica a otros cuerpos si colisiona con ellos. • El calor es una forma de energía que se propaga por convección, conducción o radiación. • Cuando “encendemos la luz”, conectamos el filamento metálico de una lámpara incandescente a través de una diferencia de potencial, lo cual hace fluir carga eléctrica por el filamento de un modo parecido a como la diferencia de presión de una manguera de riego hace fluir el agua por su interior. El flujo de electrones constituye la corriente eléctrica. Usualmente asociamos la corriente al movimiento de cargas en cables conductores, pero la corriente eléctrica surge de cualquier flujo de carga. Cuando la corriente eléctrica se propaga a través de los conductores y llega a un receptor se transforma en éste en otro tipo de energía. • Si el cuerpo o fuente emisora irradia energía, la propagación se produce por radiación en forma de ondas* que son las perturbaciones físicas que se propagan a través de un determinado medio o en el vacío. Las ondas mecánicas propagan este tipo de energía a través de un medio material elástico. Son ondas longitudinales porque en ellas coincide la vibración de las partículas con la dirección de la propagación. Dos ejemplos son las vibraciones de un muelle y el sonido. En un muelle las vibraciones se propagan en una sola dirección y en el caso del sonido, se propagan tridimensionalmente. Las ondas electromagnéticas propagan energía producida por oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos y no necesitan un medio material de propagación. Por ejemplo, la luz. Dentro de las diferentes formas de propagación de las ondas se definen diversos regímenes. Desde el punto de vista de la luminotecnia, nos interesa el régimen periódico, que se define como aquel que se repite a intervalos regulares de tiempo y que se expresa gráficamente mediante varias formas de onda. Aquí, la forma de la onda representa oscilaciones como fenómenos en los que la magnitud física es función periódica de una variable independiente (el tiempo), cuyo valor medio es nulo. Es decir, se trata de funciones armónicas simples o fundamentales, como el seno o el coseno, de una sola variable, unidimensional y transversales (se propagan perpendicularmente a la dirección en que vibran las partículas). En definitiva, existe un conjunto muy amplio de fenómenos físicos, eléctricos y electromagnéticos, entre los que se incluye la electricidad, la luz, el sonido, las ondas hertzianas o el oleaje del mar, cuyas características quedan determinadas mediante el estudio de las ondas sinusoidales. De ahí que se utilice el concepto de radiación de las ondas y las características que las definen.

1.2. Características de las ondas Longitud de Onda (
) Se define como la distancia recorrida por la onda en un periodo. En una onda transversal se puede definir como la distancia entre dos máximos consecutivos o entre otros dos puntos cualesquiera que se encuentren en la misma fase (Fig. 1).

λ

λ

λ

λ Figura 1. Longitud de onda
.

* Onda: Expresión gráfica de una variación periódica representada en amplitud y tiempo. La amplitud es el valor u ordenada máxima que toma la onda.

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Capítulo 1. LA LUZ

La longitud de onda es una característica importante para clasificar el espectro de radiaciones visibles, objeto de estudio en esta LUMINOTECNIA 2002. Este parámetro queda determinado mediante el producto de la velocidad de propagación (), por el tiempo que tarda en realizar un ciclo (Periodo ):


=  ·  (m/s · s = m) Frecuencia ( f ) Se define como el número de periodos que tienen lugar en la unidad de tiempo. Como el periodo es inverso de la frecuencia,

 = 1 , la ecuación anterior se transforma en: f
=  (m/s · 1/s-1 = m) f

y por consiguiente, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de propagación, e inversamente proporcional a la longitud de onda.

f =  (s-1 = ciclos/segundo = Hz)
La longitud de onda disminuye con el aumento de la frecuencia. La frecuencia es fija e independiente del medio por el que se propaga la onda, y por ello es una característica importante para clasificar las ondas electromagnéticas.

Velocidad de propagación (  ) La velocidad de propagación depende del tipo de onda, de la elasticidad del medio y de su rigidez. Si el medio es homogéneo e isótropo, la velocidad de propagación es la misma en todas las direcciones. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido en el aire, a 20 ºC, es de 343´5 m/s, mientras que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es de 300.000 km/s = 3 · 108 m/s. La ecuación fundamental que relaciona la velocidad de propagación con la longitud y frecuencia de la onda es

 =
· f (m · s-1 = m/s)

1.3. Espectro de frecuencias Dado que las radiaciones electromagnéticas son de la misma naturaleza y todas se propagan en el vacío a la misma velocidad ( = 3 · 108 m/s), las características que las diferencia es su longitud de onda, o lo que es lo mismo, su frecuencia ( =
· f). Entre las radiaciones electromagnéticas debemos incluir los Rayos Gamma, Rayos X, Radiación Ultravioleta, Luz, Rayos Infrarrojos, Microondas, Ondas de Radio y otras radiaciones. El ojo humano es sensible a la radiación electromagnética con longitudes de onda comprendidas entre 380 y 780 nm. aproximadamente, margen que se denomina luz visible. Las longitudes de onda más cortas del espectro visible corresponden a la luz violeta y la más larga a la luz roja, y entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris (Fig. 2). Las ondas electromagnéticas con longitudes de onda ligeramente inferiores a las de la luz visible se denominan rayos ultravioleta, y las que poseen longitudes de onda ligeramente superiores, se conocen como ondas infrarrojas. La radiación térmica emitida por los cuerpos a temperaturas ordinarias está situada en la región infrarroja del espectro electromagnético. No existen límites en las longitudes de onda de la radiación electromagnética; es decir, todas las longitudes de onda (o frecuencias) son teóricamente posibles. Hay que tener en cuenta que los intervalos de longitud de onda (o de frecuencia) en los que se divide el espectro electromagnético no están a veces bien definidos y frecuentemente se solapan. Por ejemplo, la ondas electromagnéticas con longitudes de onda del orden de 0,1 nm. suelen denominarse Rayos X, pero si se originan a partir de la radiactividad nuclear, se llaman Rayos Gamma.

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Capítulo 1. LA LUZ

Luz negra Rayos Ultravioleta 790x1012 Hz

Distribución espectral según fabricantes de lámparas

Distribución espectral de la luz visible

Violeta Añil Azul Verde - Azul Verde Verde - Amarillo Amarillo Naranja

Rojo

400x1012 Hz 384x1012 Hz 370x1012 Hz Infrarrojos

300 nm. 320 340 360 380 400 nm. 420 440 460 480 500 nm. 520 540 560 580 600 nm. 620 640 660 680 700 nm. 720 740 760 780 800 nm.

Figura 2. Clasificación del espectro visible. Los fabricantes de lámparas suelen dar las curvas radioespectrométricas con valores comprendidos entre 380 nm. y 780 nm. Como hemos visto, además del metro, para expresar la longitud de onda se emplea también el nanómetro (nm.) y otras unidades como son el Angstrom (Å)y la micra (m.). 1 m. = 10-60 m 1 nm. = 10-90 m 1 Å.

= 10-10 m

Radiación de una fuente con espectro continuo Todo cuerpo, a cualquier temperatura que no sea el cero absoluto, irradia energía según un amplio campo de longitud de onda. Esta radiación se denomina incandescencia o radiación de temperatura. Son fuentes de luz artificial incandescente: - La llama de una combustión, como la vela, candil, etc. - Un lingote o barra de acero caliente al rojo vivo. - El filamento de la lámpara de incandescencia, como fuente más común de producir luz artificial. El término incandescencia se aplica a los tipos de radiación asociados con la temperatura. Para saber cómo está distribuida la potencia radiada entre las longitudes de onda, se utiliza el espectrorradiómetro. La función espectrorradiométrica o curva de distribución espectral que se obtiene se indica en la Fig. 3, en la que en abscisas se sitúan las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energía respecto a la máxima radiada que se toma como el 100%.

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40

40

20

20

500 nm.

780 nm.

500 nm.

Distribución espectral de la luz del dia normal

780 nm.

60

700 nm.

60

380 nm. 400 nm.

80

700 nm.

%

80

600 nm.

100

%

380 nm. 400 nm.

100

600 nm.

Capítulo 1. LA LUZ

Distribución espectral de lámpara incandescente

Figura 3

Radiación de una fuente con espectro discontinuo La energía radiante de una fuente de descarga gaseosa, como la de vapor de sodio, vapor de mercurio, argón, neón, etc., consiste en una radiación integrada por pequeños intervalos de longitud de onda que se denominan picos de emisión. Cada gas tiene una longitud de onda característica de su radiación, que depende de la estructura molecular del gas a través del cual tiene lugar la descarga. Este tipo de descarga se denomina comúnmente luminiscencia y se caracteriza porque son tipos de radiación independientes de la temperatura. Las fuentes luminosas o lámparas de descarga más usuales son los tubos fluorescentes, los de vapor de mercurio, los de vapor de sodio y los de inducción. Al igual que con la incandescencia, se obtiene la curva de distribución espectral mediante el espectrorradiómetro. La función espectrorradiométrica que se obtiene se indica en la Fig. 4, indicando en abscisas las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energía respecto a la máxima radiada que se toma como el 100%.

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20

780 nm.

Distribución espectral de una lámpara fluorescente de color blanco frío

780 nm.

40

700 nm.

40

600 nm.

60

380 nm. 400 nm.

60

700 nm.

80

600 nm.

%

80

500 nm.

100

%

380 nm. 400 nm.

100

500 nm.

También se suele dar en ordenadas la potencia específica en mW/nm. de longitud de onda.

Distribución espectral de una lámpara de vapor de mercurio de color corregido

Figura 4

1.4. Naturaleza dual de la luz La luz ha intrigando a la humanidad durante siglos. Las teorías más antiguas consideraban a la luz como algo que era emitido por el ojo. Posteriormente se comprendió que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que entraba en el ojo produciendo la sensación de la visión. La cuestión de si la luz está compuesta por un haz de partículas o si es un cierto tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las más interesantes en la historia de la ciencia. Entre los proponentes y defensores de la teoría corpuscular de la luz el más influyente fue sin duda Newton. Utilizando esta teoría pudo explicar las leyes de la reflexión y de la refracción. Sin embargo, su

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Capítulo 1. LA LUZ

deducción de la ley de la refracción dependía de la hipótesis de que la luz se mueve con más rapidez en el agua o en el vidrio que en el aire, hipótesis que posteriormente se demostró que era falsa. Los principales proponentes de la teoría ondulatoria de la luz fueron Christian Huygens y Robert Hooke. Utilizando su propia teoría de la propagación de las ondas, Huygens fue capaz de explicar la reflexión y la refracción suponiendo que la luz viaja más lentamente en el vidrio o el agua que en el aire. Newton se dio cuenta de las ventajas de la teoría ondulatoria de la luz, particularmente porque explicaba los colores formados por películas delgadas, que había estudiado a fondo. No obstante, rechazó la teoría ondulatoria debido a la aparente propagación rectilínea de la luz. En su época no se había observado aún la difracción, desviación del haz luminoso que permite rodear obstáculos. La teoría corpuscular de la luz de Newton fue aceptada durante más de un siglo. Luego, en 1801, Thomas Young revitalizó la teoría ondulatoria de la luz. Fue uno de los primeros en introducir la idea de interferencia como un fenómeno ondulatorio que se presentaba tanto en la luz como en el sonido. Sus observaciones de las interferencias obtenidas con la luz fueron una clara demostración de su naturaleza ondulatoria. Sin embargo, el trabajo de Young no fue conocido por la comunidad científica durante más de diez años. Quizás el mayor avance en lo que se refiere a la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz, se debió al físico francés Augustin Fresnel (1782-1827), que realizó extensos experimentos sobre interferencia y difracción y desarrolló la teoría ondulatoria sobre una sana base matemática. En 1850, Jean Foucault midió la velocidad de la luz en el agua y comprobó que es menor que en el aire, acabando así con la teoría corpuscular de la luz de Newton. En 1860, James Clerk Maxwell publicó su teoría matemática del electromagnetismo, que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad calculada mediante las leyes de la electricidad y el magnetismo y que resultaba valer 3 x 108 m/s, el mismo valor que la velocidad de la luz. La teoría de Maxwell fue confirmada en 1887 por Hertz, quien utilizó un circuito eléctrico sintonizado para generar ondas y otro circuito semejante para detectarlas. En la segunda mitad del siglo XIX, Kirchoff y otros científicos aplicaron las leyes de Maxwell para explicar la interferencia y difracción de la luz y de otras ondas electromagnéticas y apoyar los métodos empíricos de Huygens de construcción de ondas sobre una base matemática firme. Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz (y de otras ondas electromagnéticas), falla a la hora de explicar otras propiedades de la luz, especialmente la interacción de la luz con la materia. Hertz, en un famoso experimento de 1887 que confirmó la teoría ondulatoria de Maxwell, también descubrió el efecto fotoeléctrico. Este efecto sólo puede explicarse mediante un modelo de partículas para la luz, como Einstein demostró sólo unos pocos años después. Así se volvió a introducir un modelo corpuscular de la luz. Las partículas de la luz se denominan fotones y la energía E de un fotón está relacionada con la frecuencia f de la onda luminosa asociada por la famosa relación de Einstein E = h · f (h = constante de Planck). No se logró una comprensión completa de la naturaleza dual de la luz hasta la década de los 20 en el siglo XX, cuando los experimentos realizados por los científicos del momento (Davisson, Germer, Thompson y otros) demostraron que los electrones (y otras “partículas”) también tenían una naturaleza dual y que presentan las propiedades de interferencia y difracción además de sus bien conocidas propiedades de partículas. En definitiva, la teoría moderna de la mecánica cuántica de la radiación luminosa acepta el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza; por un lado, los fenómenos de propagación de la luz encuentran mejor explicación dentro de la teoría electromagnética de Maxwell (naturaleza fundamental ondulatoria electromagnética), y, por otro, la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorción y emisión, es un fenómeno fotoeléctrico (naturaleza corpuscular).

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Capítulo 2.

EL OJO

2.1.

El ojo humano como órgano receptor de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.

Descripción estructural del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3.

Formación de imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4.

Curva de sensibilidad del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5.

Acomodación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6.

Contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7.

Adaptación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.8.

Deslumbramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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Capítulo 2. EL OJO

2.1. El ojo humano como órgano receptor de luz El ojo es el órgano fisiológico del sentido de la vista, mediante el cual se experimentan las sensaciones de luz y color. Para que se realice el proceso de la iluminación, como acción y efecto de iluminar y ver, se requieren tres agentes: 1) La fuente productora de luz o radiación luminosa. 2) Un objeto a iluminar que necesitamos que sea visible. 3) El ojo, que recibe la energía luminosa y la transforma en imágenes que son enviadas al cerebro para su interpretación. El estudio y descripción de los componentes del ojo, así como el proceso que se realiza desde que la luz le llega y pasa por las vías y centros visuales hasta que es interpretada por el cerebro, nos llevaría al campo de la neurofisiología. Aquí describiremos y expondremos algunos comportamientos y conceptos del sentido de la vista, cuyo conocimiento es indispensable y contribuye a un mejor diseño de las instalaciones de iluminación.

2.2. Descripción estructural del ojo En la Fig. 1 se representa un corte longitudinal esquemático del ojo humano, en el que se puede apreciar su constitución anatómica.

Humor vítreo Párpado superior Mancha amarilla

Humor acuoso

Músculos oftálmicos

Eje visual Córnea

Nervio óptico

Cristalino Músculos oftálmicos

Iris Retina

Músculo ciliar Párpado inferior

Punto ciego

Esclerótica

Coroides

Figura 1. Constitución del ojo humano. El ojo está constituido principalmente por los siguientes elementos: a) Globo ocular: Cámara que tiene como función principal la formación de la imagen en la retina. b) Córnea: Tiene la misión de recibir y transmitir las impresiones visuales y constituye el componente óptico refractor fundamental del ojo. c) Cristalino: Es una lente biconvexa, transparente e incolora situado tras el iris. Esta membrana elástica cambia su forma para enfocar los objetivos. d) Iris: Lámina circular situada frente al cristalino y muy pigmentada. Puede contraer la pupila controlando la cantidad de luz que pasa al cristalino. e) Pupila: Orificio circular situado en el centro del iris y a través del cual pasan los rayos luminosos. La abertura de este orificio la controla el iris y su constricción se llama miosis y la dilatación midriasis. f) Retina: Es la película interna posterior del ojo constituida por una membrana nerviosa, expansión del nervio óptico, que tiene la función de recibir y transmitir imágenes o impresiones visuales. Contiene una finísima capa de células fotosensibles, conos y bastones, que divergen del nervio óptico y que están en la parte externa próximas a la capa pigmentada.

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Capítulo 2. EL OJO

g) Conos: Células fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran principalmente en la fóvea. Son muy sensibles a los colores y casi insensibles a la luz. De ahí que cumplan la función de discriminar los detalles finos y la de percibir los colores (Fig. 2). h) Bastones o bastoncillos: Células fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran sólo fuera de la fóvea y más concentrados en la periferia. Son muy sensibles a la luz y al movimiento, y casi insensibles al color. De ahí que la misión de los bastones sea la de percibir la mayor o menor claridad con que están iluminados los objetos (Fig. 2). i) Mácula: Mancha amarilla situada en el polo posterior de la retina, sobre el eje óptico, donde se produce la fijación nítida y precisa de detalles y colores. En su centro se encuentra la fóvea, que sólo está formada por conos. j) Punto ciego: Punto de la retina por donde el nervio óptico conduce las imágenes o sensaciones de luz al cerebro. En este punto no hay fotorreceptores.

Consecuencias prácticas de la función de conos y bastones Cuando miramos un espacio iluminado con poca luz, por ejemplo, en la penumbra por la noche, la agudeza visual es baja, porque no actúan los conos y no se distinguen los colores ni los detalles, de ahí el famoso refrán de que “de noche todos los gatos son pardos”. A esta visión nocturna se le llama escotópica y en ella intervienen esencialmente los bastones que captan con gran sensibilidad la mayor o menor cantidad de luz y el movimiento de los objetos. Ello justifica que en algunos alumbrados públicos de avenidas, carreteras, y grandes superficies se efectúe el alumbrado con lámparas de vapor de sodio que reproducen mal los colores, pero aportan gran cantidad de luz. Por el contrario, con luz diurna o cuando el nivel de iluminación se eleva lo suficiente, los objetos se ven con precisión y detalle porque actúan los bastones y principalmente los conos, con lo cual se pueden distinguir los colores. A la luz diurna se le llama visión fotópica. En este caso la cantidad de luz exige ir acompañada de calidad, pues sólo la cantidad produciría irritabilidad en los ojos y deslumbramientos muy molestos.

Globo ocular

Célula nerviosa Granos de pigmento Bastoncillo

Ampliación de la retina

Cono

Célula pigmentaria

Figura 2. Parte fotosensible del ojo. Actuación de bastoncillos y conos.

2.3. Formación de imágenes El campo visual del hombre está limitado por un ángulo de unos 130º en sentido vertical y de unos 180º en sentido horizontal. De los objetos iluminados o con luz propia situados en el campo de visual parten rayos luminosos que atraviesan la córnea y el humor acuoso. El iris, mediante la abertura de la pupila, controla la cantidad de luz que se refracta a través del cristalino para incidir finalmente en la retina, donde el pigmento fotosensible de los fotorreceptores la registran en imágenes invertidas y mucho más pequeñas de lo natural, al igual que ocurre en la cámara fotográfica. Una vez recibidas y formadas las imágenes en la retina, a través del nervio óptico, son enviados al cerebro, que se encarga de interpretarlas y rectificar su posición (Fig. 3).

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Capítulo 2. EL OJO

Figura 3. Formación de imagen y su rectificación en el cerebro. En la tabla siguiente se hace un símil con la cámara fotográfica. Ojo humano

Cámara fotográfica

Cristalino (controla acomodación)

Objetivo (ajusta distancia entre objetivo y película)

Pupila (controla adaptación)

Diafragma - obturador (adapta exposición y cantidad de luz)

Pigmento de los fotorreceptores

Emulsión de la película

Retina (crea las imágenes)

Película (crea las imágenes) Tabla 1

2.4. Curva de sensibilidad del ojo Las radiaciones de longitud de onda comprendidas entre 380 nm. (ultravioleta) y 780 nm. (infrarrojos) son transformadas por el ojo en luz. Fuera de esta gama el ojo no ve, es ciego y no percibe nada. Todas las fuentes luminosas tienen su propia radiación o mezcla de ellas comprendida dentro de dichos límites. La luz blanca del medio día soleado es suma de todas las longitudes de onda del espectro visible. Si las hacemos llegar al ojo independientemente y con la misma energía, se obtiene una curva como la de la Fig. 4, que ha sido elaborada por la C.I.E.* realizando medidas en gran número de personas.

* C.I.E.: Comisión Internacional de Iluminación (Commission Internationale de l´Eclairage).

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Capítulo 2. EL OJO

100

400

Longitud de onda nm. 500 600

700

% 80

60

40

NOCHE

DIA

20

0 Figura 4. Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas. En ella se observa que para la luz blanca del día (fotópica), la máxima sensibilidad del ojo corresponde a la longitud de onda de 555 nm. y al color amarillo. La mínima sensibilidad corresponde a los colores rojo y violeta. De esta forma, las fuentes luminosas cuyas longitudes de onda corresponden al amarillo – verde son las que tienen más eficacia, aunque de peor calidad debido a que tal luz no es apropiada para nuestro ojo, acostumbrado a la luz blanca del Sol. De aquí que en locales con alto nivel de iluminación se realcen los colores naranja y rojo. En el caso de la luz nocturna (escotópica), el máximo de sensibilidad se desplaza hacia longitudes de onda menores (efecto Purkinje) y, por consiguiente, las radiaciones de menor longitud de onda (azul – violeta) producen mayor intensidad de sensación con baja iluminación. Este efecto es de gran importancia cuando se proyectan locales con bajo nivel de iluminación en los que se ven mejor los colores azul y violeta.

2.5. Acomodación Es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes distancias de los objetos, y obtener de esta forma imágenes nítidas en la retina. Este ajuste se efectúa variando la curvatura del cristalino y con ello la distancia focal por la contracción o distensión de los músculos ciliares. Si el objetivo se encuentra próximo al ojo, la curvatura del cristalino se hace mayor que cuando está lejos. En la máquina fotográfica el ajuste se hace variando la distancia entre el objetivo y la película sensible. La acomodación o enfoque es más fácil con altas luminancias* (iluminaciones) que obligan a una adaptación de la pupila o modificación del diafragma en sentido de cierre. El resultado común de esta acción es el aumento de la profundidad del campo, o lo que es lo mismo, visión nítida de objetos a diferente distancia del ojo o la cámara. La capacidad de acomodación del ojo disminuye con la edad a consecuencia del endurecimiento del cristalino.

2.6. Contraste Todos los objetos son percibidos por los contrastes de color y de luminancia que presentan las distintas partes de su superficie entre sí y en relación al fondo en que aparece el objeto.

* Luminancia: Efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria de luz como si procede de una superficie que refleja.

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Capítulo 2. EL OJO

Para niveles de iluminación suficientemente elevados, el ojo normal es sensible a los colores, mientras que para bajos niveles de iluminación los objetos son percibidos fundamentalmente por el contraste de luminancias que presentan con relación al fondo. La diferencia de luminancia entre objeto que se observa y su espacio inmediato, es lo que se conoce por contraste.

ω Lo Lf

Figura 5 En la Fig. 5 la superficie del objeto tiene una luminacia “L0” y la superficie de fondo una luminancia “Lf”, por tanto se llama contraste “K” a la diferencia de estas dos luminancias, divididas por la de fondo, es decir:

K=

L0 – Lf Lf

“K” es, por tanto, un valor relativo entre luminancias. Como hemos comentado, la visibilidad de un objeto situado sobre un fondo, depende de la diferencia de luminancias entre el objeto y el fondo. Un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste será positivo (valores entre 0 e infinito), en cambio un objeto más oscuro que su fondo se verá en silueta y su contraste será negativo, variando entre 0 y (-1). El contraste K puede ser positivo o negativo: Si L0 > Lf

K > 0 contraste positivo (objeto más claro que el fondo).

Si L0 < Lf

K < 0 contraste negativo (objeto más oscuro que el fondo).

El contraste K puede adquirir los siguientes valores: Contraste positivo (objeto claro) Contraste negativo (objeto oscuro)

0 IRC ≥ 60

Intermedio

Trabajo industrial

Oficinas, escuelas

Industrias bastas

Trabajo industrial

Frío 3

60 > IRC ≥ 40

4

40 > IRC ≥ 20

Trabajos bastos, trabajo industrial con bajo requerimiento de rendimiento de color Tabla 3. Grupos de rendimiento de color de las lámparas.

4.5. Efectos psíquicos de los colores y su armonía Está comprobado que el color del medio ambiente produce en el observador reacciones psíquicas o emocionales. Por ello, el emplear los colores de forma adecuada es un tema del mayor interés para los psicólogos, arquitectos, luminotécnicos y decoradores. No se pueden establecer reglas fijas para la elección del color apropiado con el fin de conseguir un efecto determinado, pues cada caso requiere ser tratado de una forma particular. Sin embargo, existe una serie de experiencias en las que se ha comprobado las sensaciones que producen en el individuo determinados colores. Una de las primeras sensaciones es la de calor o frío, de aquí que se hable de “colores cálidos” y “colores fríos”. Los colores cálidos son los que en el espectro visible van desde el rojo al amarillo verdoso, y los fríos desde el verde al azul. Un color será más cálido o más frío según sea su tendencia hacia el rojo o hacia el azul, respectivamente. Los colores cálidos son dinámicos, excitantes y producen una sensación de proximidad, mientras que los colores fríos calman y descansan, produciendo una sensación de lejanía. Asimismo, la claridad del color también tiene sus efectos psicológicos. Los colores claros animan y dan sensación de ligereza, mientras que los colores oscuros deprimen y producen sensación de pesadez. Cuando se combinan dos o más colores y producen un efecto agradable, se dice que armonizan. La armonía de colores se produce, pues, mediante la elección de una combinación de colores que es agradable y hasta placentera para el observador en una situación determinada. De todo lo anterior, se deduce que el conocimiento de la curva de distribución espectral de las fuentes de luz es imprescindible para conseguir el efecto cromático deseado.

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Capítulo 5.

MAGNITUDES LUMINOSAS

5.1.

Flujo luminoso (Potencia luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2.

Cantidad de luz (Energía luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3.

Intensidad luminosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.4.

Iluminancia (Nivel de iluminación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.5.

Luminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.6.

Otras magnitudes luminosas de interés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.7.

Representación gráfica de magnitudes luminosas . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.8.

Cuadro resumen de las magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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45

46

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

En la técnica de la iluminación intervienen dos elementos básicos: la fuente productora de luz y el objeto que se va a iluminar. En este capítulo vamos a ver las magnitudes y unidades de medida fundamentales, empleadas para valorar y comparar las cualidades y los efectos de las fuentes de luz.

5.1. Flujo luminoso (Potencia luminosa) La energía transformada por los manantiales luminosos no se puede aprovechar totalmente para la producción de luz. Por ejemplo, una lámpara incandescente consume una determinada energía eléctrica que transforma en energía radiante, de la cual sólo una pequeña parte (alrededor del 10%) es percibida por el ojo humano en forma de luz, mientras que el resto se pierde en calor. El flujo luminoso que produce una fuente de luz es la cantidad total de luz emitida o radiada, en un segundo, en todas las direcciones. De una forma más precisa, se llama flujo luminoso de una fuente a la energía radiada que recibe el ojo medio humano según su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo. El flujo luminoso se representa por la letra griega F y su unidad es el lumen (lm). El lumen es el flujo luminoso de la radiación monocromática que se caracteriza por una frecuencia de valor 540 · 1012 Hz. y por un flujo de energía radiante de 1/683 W. Un watio de energía radiante de longitud de onda de 555 nm. en el aire equivale a 683 lm aproximadamente.

Medida del flujo luminoso La medida del flujo luminoso se realiza en el laboratorio por medio de un fotoelemento ajustado según la curva de sensibilidad fotópica del ojo a las radiaciones monocromáticas, incorporado a una esfera hueca a la que se le da el nombre de Esfera de Ulbricht (Fig. 1), y en cuyo interior se coloca la fuente a medir. Los fabricantes dan el flujo de las lámparas en lúmenes para la potencia nominal.

Figura 1. Esfera de Ulbricht.

Rendimiento luminoso (Eficacia luminosa) El rendimiento luminoso de una fuente de luz, indica el flujo que emite la misma por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. Se representa por la letra griega e, siendo su unidad el lumen/watio (lm/W). La fórmula que expresa la eficacia luminosa es: ε=

Φ Ρ

(lm/W)

Si se lograse fabricar una lámpara que transformara sin pérdidas toda la potencia eléctrica consumida en luz a una longitud de onda de 555 nm., esta lámpara tendría el mayor rendimiento posible, cuyo valor sería 683 lm/W.

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47

Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

5.2. Cantidad de luz (Energía luminosa) De forma análoga a la energía eléctrica que se determina por la potencia eléctrica en la unidad de tiempo, la cantidad de luz o energía luminosa se determina por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo. La cantidad de luz se representa por la letra Q, y su unidad es el lumen por hora (lm · h). La fórmula que expresa la cantidad de luz es: Q = F · t (lm · h)

5.3. Intensidad luminosa Esta magnitud se entiende únicamente referida a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido w. Al igual que a una magnitud de superficie corresponde un ángulo plano que se mide en radianes, a una magnitud de volumen le corresponde un ángulo sólido o estéreo que se mide en estereorradianes. El radián se define como el ángulo plano que corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio (Fig. 2).

δ=1 α = 1 radián r=1

α (total) = 2 π radianes Figura 2. Ángulo plano. El estereorradián se define como el ángulo sólido que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera (Fig. 3).

1cd

r = 1m.

φ = 1 Lm E = 1 Lux S = 1 m2

ω

1cd ω (total) = 4π estereorradianes Figura 3. Ángulo sólido. La intensidad luminosa de una fuente de luz es igual al flujo emitido en una dirección por unidad de ángulo sólido en esa dirección. Su símbolo es
, su unidad es la candela (cd), y la fórmula que la expresa: Ι=

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Φ ω

(lm/sr)

Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

La candela se define como la intensidad luminosa de una fuente puntual que emite un flujo luminoso de un lumen en un ángulo sólido de un estereorradián (sr). Según el S.I.*, también se define candela como la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 · 1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watios por estereorradián.

5.4. Iluminancia (Nivel de iluminación) La iluminancia o nivel de iluminación de una superficie es la relación entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su área. Se simboliza por la letra E, y su unidad es el lux (lx). La fórmula que expresa la iluminancia es: Ε=

Φ S

(lx = lm/m2)

Se deduce de la fórmula que cuanto mayor sea el flujo luminoso incidente sobre una superficie, mayor será su iluminancia, y que, para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia será tanto mayor en la medida en que disminuya la superficie. Según el S.I., el lux se define como la iluminancia de una superficie que recibe un flujo luminoso de un lumen, repartido sobre un metro cuadrado de superficie.

Medida del nivel de iluminación La medida del nivel de iluminación se realiza por medio de un aparato especial denominado luxómetro, que consiste en una célula fotoélectrica que, al incidir la luz sobre su superficie, genera una débil corriente eléctrica que aumenta en función de la luz incidente. Dicha corriente se mide con un miliamperímetro, de forma analógica o digital, calibrado directamente en lux (Fig. 4).

A

B

1 2 3

Figura 4. Luxómetro.

5.5. Luminancia Se llama Luminancia al efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria que produce luz, como si procede de una fuente secundaria o superficie que refleja luz. La luminancia mide brillo de las fuentes luminosas primarias y de las fuentes que constituyen los objetos iluminados. Este término ha sustituido a los conceptos de brillo y densidad de iluminación, aunque como concepto nos interesa recordar que el ojo no ve colores sino brillo, como atributo del color. La percepción de la luz es realmente la percepción de diferencias de luminancias. Se puede decir, por lo tanto, que el ojo ve diferencias de luminancias y no de iluminación (a igual iluminación, diferentes objetos tienen luminancia distinta porque tienen distinto poder de reflexión). La luminancia de una superficie iluminada es el cociente entre la intensidad luminosa de una fuente de luz, en una dirección, y la superficie de la fuente proyectada según dicha dirección.

* S.I. c Sistema Internacional.

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

Superficie vista o aparente

Superficie aparente = Superficie real x cosβ

β

β β Superficie real

Figura 5. Luminancia de una superficie. El área proyectada es la vista por el observador en la dirección de observación. Se calcula multiplicando la superficie real iluminada por el coseno del ángulo que forma su normal con la dirección de la intensidad luminosa (Fig. 5). Se representa por la letra L, siendo su unidad la candela/metro cuadrado llamada “nit (nt)”, con un submúltiplo, la candela/centímetro cuadrado o “stilb”, empleada para fuentes con elevadas luminancias. 1cd

1nt =

1m2

;

1stilb =

1cd 1cm2

La fórmula que la expresa es la siguiente: L=

Ι S · cosβ

donde: S · cos = Superficie aparente. La luminancia es independiente de la distancia de observación.

Medida de la luminancia La medida de la luminancia se realiza por medio de un aparato especial llamado luminancímetro o nitómetro. Se basa en dos sistemas ópticos, uno de dirección y otro de medición (Fig. 6). El de dirección se orienta de forma que la imagen coincida con el punto a medir, la luz que llega una vez orientado se ve convertida en corriente eléctrica y recogida en lectura analógica o digital, siendo los valores medidos en cd/m2.

1 2 3

1 2 3

1 2 3

Figura 6. Luminancímetro.

50

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

5.6. Otras magnitudes luminosas de interés 5.6.1. Coeficiente de utilización Relación entre el flujo luminoso recibido por un cuerpo y el flujo emitido por una fuente luminosa. Unidad

c

%

Símbolo

c

η

Relación

c

η=

Φ Φe

5.6.2. Reflectancia Relación entre el flujo reflejado por un cuerpo (con o sin difusión) y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

ρ

Relación

c

ρ=

Φr Φ

5.6.3. Absortancia Relación entre el flujo luminoso absorbido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

α

Relación

c

α=

Φa Φ

5.6.4. Transmitancia Relación entre el flujo luminoso transmitido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

τ

Relación

c

τ=

Φt Φ

5.6.5. Factor de uniformidad media Relación entre la iluminación mínima y la media, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

Um

Relación

c

Um =

Εmin Εmed

5.6.6. Factor de uniformidad extrema Relación entre la iluminación mínima y máxima, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

Ue

Relación

c

Ue =

Εmin Εmax

5.6.7. Factor de uniformidad longitudinal Relación entre la luminacia mínima y máxima longitudinal, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

UL

Relación

c

UL =

Lmin longitudinal Lmax longitudinal

5.6.8. Factor de uniformidad general Relación entre la luminancia mínima y media, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

U0

Relación

c

U0 =

Lmin Lmed

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51

Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

5.6.9. Factor de mantenimiento Coeficiente que indica el grado de conservación de una instalación. Unidad

c

%

Símbolo

c

Fm

c

Fm = Fpl · Fdl · Ft · Fe · Fc

Relación

Fpl = factor posición lámpara Fdl = factor depreciación lámpara Ft = factor temperatura Fe = factor equipo de encendido Fc = factor conservación de la instalación

5.7. Representación gráfica de magnitudes luminosas El conjunto de la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones constituye lo que se conoce como distribución luminosa. Las fuentes de luz utilizadas en la práctica tienen una superficie luminosa más o menos grande, cuya intensidad de radiación se ve afectada por la propia construcción de la fuente, presentando valores diversos en las distintas direcciones. Con aparatos especiales (como el Goniofotómetro) se puede determinar la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones del espacio con relación a un eje vertical. Si representamos por medio de vectores (I) la intensidad luminosa de una fuente de luz en las infinitas direcciones del espacio, engendramos un volumen que representa el valor del flujo total emitido por la fuente, el cual viene definido por la expresión:

!r

r

Φ = Ι · dω ν

El sólido que obtenemos recibe el nombre de sólido fotométrico. En la Fig. 7 se puede apreciar el sólido fotométrico de una lámpara incandescente.

180°

160°

140°

120°

100°

80°

0°

60° 20° 40°

Figura 7. Sólido fotométrico de una lámpara incandescente. Si hacemos pasar un plano por el eje de simetría de la fuente luminosa, por ejemplo, un plano meridional, obtenemos una sección limitada por una curva que se denomina curva fotométrica o curva de distribución luminosa (Fig. 8).

52

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

180°

150° 120°

80 60 40 cd

90° 20 40 60 80

60°

100 120 140 0°

30°

Figura 8. Curva fotométrica de una lámpara incandescente. Mediante la curva fotométrica de una fuente de luz se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación. Las direcciones del espacio por las cuales se radia una intensidad luminosa las podemos determinar por dos coordenadas. Uno de los

C=

18 0°

° 270 C=

eje de rotación planos "C"

sistemas de coordenadas más usado para la obtención de curvas fotométricas es el “C - ” que podemos ver en la Fig. 9.

C=

°

90

γ = 180°

e je

de

C=

in c

lin

aci

0° γ = 9 0°

ón γ = 0°

La do La cal do ace zada ra

Figura 9. Sistema de coordenadas C - . Las curvas fotométricas se dan referidas a un flujo luminoso emitido de 1.000 lm. y, como el caso más general es que la fuente de luz emita un flujo superior, los valores de la intensidad luminosa correspondientes se hallan mediante una regla de tres simple. Cuando alojamos una lámpara en un reflector, se distorsiona su flujo proporcionando un volumen cuya forma es distinta, ya que depende de las características propias del reflector. Por consiguiente, las curvas de distribución según los distintos planos son diferentes. En las dos siguientes figuras podemos ver dos ejemplos en los que se han representado las curvas de distribución de dos reflectores.

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53

Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

El de la Fig.10 es simétrico, y tiene idénticas curvas para cualquiera de los planos meridionales, por lo que una sola curva es suficiente para su identificación fotométrica. El ejemplo de la Fig. 11 es asimétrico y cada plano tiene una curva diferente, por lo que es necesario conocer todos los planos.

900 675 450 225

60o

30o

0o

30o

Unidad = cd/1000 lm C=90º

C=45º

C=0º

Figura 10. Curva de distribución fotométrica simétrica.

320

240

80 0

70o

50o

30o

10o 0o

Unidad = cd/1000 lm C=90º

C=45º

C=0º

Figura 11. Curva de distribución fotométrica asimétrica. Otro método de representar la distribución del flujo luminoso es el diagrama de curvas isocandelas (Fig. 12) el cual consiste en imaginar la luminaria en el centro de una esfera en cuya superficie exterior se unen por una línea los puntos de igual intensidad (curvas isocandelas). Generalmente las luminarias tienen como mínimo un plano de simetría, por lo que se desarrolla solamente una semiesfera.

54

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

280 290 300 310 320 330 340 350 C=0 10

-90

-80

20

30

40

50

60

70

80

90

80

1 5 10

90

-70

80

60 40

70

20 30

-60

60

-50 60

-40

50

40 -30

30 -20 -10

GM=0

20

10

Imax=100%

Figura 12. Curvas isocandelas. Esta forma de representación es mucho más completa, pero tiene el inconveniente de que se necesita una mayor experiencia para su interpretación. El flujo emitido por una fuente luminosa proporciona una iluminación (iluminancia) en una superficie, cuyos valores se miden en lux. Si proyectamos estos valores sobre un mismo plano y unimos por medio de una línea los de igual valor, entonces daremos lugar a las curvas isolux (Fig. 13).

h

LADO ACERA 5

30 40

0

20 80

60 50

70

10

h 5

2h 1

1

LADO CALZADA

3h 6h

5h

4h

3h

2h

h

0

h

2h

3h

Lmax=100% fl=0.154 Figura 13. Curvas isolux. Por último tenemos las luminacias, que dependen del flujo luminoso reflejado por una superficie en la dirección del observador. Los valores se miden en candelas por metro cuadrado (cd/m2) y su representación nos viene dada por las curvas isoluminancias (Fig. 14).

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

OBSERVADORES: A, B Y C h

A B

6h

5h

3h

4h

LADO ACERA

1

2h

h

0

h

2h

3h

20 30

5

40 50 60

0

80

5

70 50

C

h 10 5

2h

LADO CALZADA Calzada R2 Qo = 0.07

3h

1

Lmax=100% fl=0.152

Figura 14. Curvas isoluminancias.

5.8. Cuadro resumen de las magnitudes Símbolo

Unidad

Relaciones

Flujo Luminoso

Magnitud

F

Lumen (lm)

F=I·q

Eficacia Luminosa

ε

Lumen por watio (lm/W)

Cantidad de luz

Q

Lumen hora (lm · h)

Intensidad luminosa

Ι

Iluminancia

Ε

Ι=

(cd = lm/sr) Lux (lx)

Ε=

(lx = lm/m2) Nit = cd/ m

L=

Luminancia

L

Coeficiente iluminación

η

%

η=

Reflectancia

ρ

%

ρ=

Absortancia

α

%

α=

Transmitancia

τ

%

τ=

Factor unifomidad media

Um

%

Um =

Factor unifomidad extrema

Ue

%

Ue =

Factor de uniformidad longitudinal

UL

%

Factor de uniformidad general

U0

%

Factor mantenimiento

Fm

%

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Ρ

UL =

Φ ω Φ S Ι

2

Stilb = cd/cm2

Φ

Q=F·t

Candela (cd)

Tabla 1. Resumen de las magnitudes luminosas.

56

ε=

S · cosβ Φ Φe Φr Φ Φa Φ Φt Φ Εmin Εmed Εmin Εmax

Lmin longitudinal Lmax longitudinal

U0 =

Lmin Lmed

Fm = Fpl · Fdl · Ft · Fe · Fc

Capítulo 6.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.1.

Ley de la inversa del cuadrado de la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.2.

Ley del coseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.3.

Iluminación normal, horizontal, vertical y en planos inclinados . . . . . . 61

6.4.

Relaciones de iluminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.5.

Ley de Lambert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

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57

58

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Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.1. Ley de la inversa del cuadrado de la distancia Desde los experimentos primitivos se ha comprobado que las iluminancias producidas por las fuentes de luz disminuyen inversamente con el cuadrado de la distancia desde el plano a iluminar a la fuente. Se expresa por la fórmula siguiente: Ε=

Ι d2

(lx)

donde Ε es el nivel de iluminación en lux (lx), Ι es la intensidad de la fuente en candelas (cd), y d es la distancia de la fuente de luz al plano receptor perpendicular. De esta forma podemos establecer la relación de iluminancias Ε1 y Ε2 que hay entre dos planos separados una distancia d y D de la fuente de luz respectivamente: Ε1 · d2 = Ε2 · D2 Ε1

D2 = 2 Ε2 = d

S2

S1

E2 E1

F

d D

Figura 1. Distribución del flujo luminoso sobre distintas superficies. Esta ley se cumple cuando se trata de una fuente puntual de superficies perpendiculares a la dirección del flujo luminoso. Sin embargo, se puede suponer que la ley es lo suficientemente exacta cuando la distancia a la que se toma la medición es, por lo menos, cinco veces la máxima dimensión de la luminaria (la distancia es grande con relación al tamaño de la zona fuente de luz).

6.2. Ley del coseno En el caso anterior la superficie estaba situada perpendicularmente a la dirección de los rayos luminosos, pero cuando forma con ésta un determinado ángulo a, la fórmula de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia hay que multiplicarla por el coseno del ángulo correspondiente cuya expresión constituye la llamada ley del coseno, que se expresa como: Ε=

Ι d2

· cos α (lx)

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59

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

“La iluminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de los rayos luminosos en el punto iluminado”. En la Fig. 2 se representan dos fuentes de luz F y F´ con igual intensidad luminosa (I) y a la misma distancia (d) del punto P. A la fuente F con un ángulo de incidencia a igual a cero, corresponde un cos0 = 1, y produce una iluminación en el punto P de valor:

h

d

F'

α 60° F

P d

Figura 2. Iluminancia en un punto desde dos fuentes de luz con diferente ángulo de incidencia.

Εp =

Ι 2

d

Ι

· cos 0 =

2

d

· 1 c Εp =

Ι

(lx)

d2

De la misma forma el F´ con un ángulo α = 60°, al que corresponde el cos60° = 0´5, producirá en el mismo punto una iluminación de valor: Ε´p =

Ι d2

Ι

· cos 60° =

d2

· 0’5 c Ε´p =

1 2

·

Ι d2

(lx)

Por lo tanto, Ε´p = 0´5 · Εp, es decir, para obtener la misma iluminación en el punto P, la intensidad luminosa de la fuente F´ debe ser el doble de la que tiene la fuente F. En la práctica, generalmente no se conoce la distancia d del foco al punto considerado, sino su altura h a la horizontal del punto. Empleando una sencilla relación trigonométrica y sustituyendo ésta en la ecuación inicial, obtenemos una nueva relación en la cual interviene la altura h: h

cos α =

Εp =

Ι 2

d

· cos α =

d

Ι

( )

2

h

cd=

· cos α =

h cos α

Ι h2

· cos2 α · cos α

cos α

Εp =

60

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Ι h2

· cos3 α

(lx)

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.3. Iluminación normal, horizontal, vertical y en planos inclinados En la Fig. 3 la fuente F ilumina tres planos situados en posiciones normal, horizontal y vertical respecto al mismo. Cada uno de ellos tendrá una iluminancia llamada: EN = Iluminancia normal. EH = Iluminancia horizontal. EV = Iluminancia vertical.

F

Iluminación vertical

M2 Iα d

h

α

n c ió in a a l m m Ilu n o r

β

Iluminación horizontal

M1

M a

Figura 3. Iluminancia normal, horizontal y vertical. Vamos a determinar la iluminancia normal, horizontal y vertical para el punto M de la Fig. 3.

Iluminación normal Aplicamos la ley de la inversa del cuadrado de la distancia: ΕN =

Ια

(lx)

d2

donde Iα es la intensidad luminosa bajo el ángulo a. Prácticamente, sólo se considera la iluminancia normal de un punto en el caso que éste se encuentre situado en la vertical de la fuente sobre el plano horizontal (punto M1), por lo que la fórmula anterior se convierte en: ΕN =

Ι

(lx)

h2

y también cuando está situado en línea recta con la fuente sobre el plano vertical (punto M2), siendo la iluminancia: ΕN =

Ι

(lx)

a2

Iluminación horizontal Si aplicamos directamente la ley del coseno, tenemos que: ΕH = ΕN · cos α =

Ια d2

· cos α

(lx)

Esta expresión la podemos expresar en relación con la altura h que existe entre la fuente F y el punto M (d = h / cosα): ΕH =

Ια h2

· cos3 α

(lx)

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61

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Iluminación vertical En este caso también aplicamos directamente la ley del coseno, y obtenemos que: ΕV = ΕN · cos β

(lx)

Entre los ángulos α y β existe una relación sencilla, ya que ambos pertenecen a un triángulo rectángulo. α + β + 90° = 180°

β = 90° - α

c

Aplicando relaciones trigonométricas: cosβ = cos(90° - α) = cos90° · cosα + sen90° · senα Por lo tanto, cosβ = senα. Sustituimos este valor en la expresión y obtenemos que: ΕV = ΕN · sen α ΕV =

Ια d2

(lx)

· sen α

(lx)

Podemos expresar la ecuación en función de la altura h que existe entre la fuente F y el punto M. ΕV =

Ια h2

· cos2 α · sen α

(lx)

Iluminación en planos inclinados El plano vertical puede cambiar a través de un ángulo
como el que aparece en la Fig. 4. Dicho ángulo
es el que forma el plano vertical que contiene al punto P con el plano de incidencia de la luz.

I h

α γ

P

Figura 4. Iluminancia en el punto P. Teniendo esto en cuenta, la expresión anterior se transforma en: ΕPI =

Ια h2

· cos2 α · sen α · cos γ

(lx)

h es la altura vertical de la fuente de luz sobre el plano horizontal que contiene al punto P.

6.4. Relaciones de iluminancia Se han propuesto diferentes conceptos para describir la luz que proviene de otras direcciones que la vertical, entre los que se incluyen los que vamos a ver a continuación. Éstos se deben considerar como parámetros de confort junto con otros como el nivel de iluminación (iluminancia).

Vertical / Horizontal La experiencia obtenida de las instalaciones de alto nivel de iluminación con un buen control del deslumbramiento, indica que la relación entre la iluminancia vertical (EV) y la iluminancia horizontal (EH) para un buen modelado* no debe ser inferior a 0´25 en las principales direcciones de la visión. ΕV ΕH

≥ 0’25

* Modelado: Habilidad de la luz para revelar la textura y forma tridimensional de un objeto creando juegos de luces y sombras.

62

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Vectorial / Esférica Los efectos de la iluminación direccional se pueden describir en parte por la iluminancia vectorial y la relación entre la iluminancia vectorial y la esférica. El vector iluminancia Ε en un punto tiene una magnitud igual a la diferencia máxima en iluminancia sobre elementos de superficie diametralmente opuestos en un pequeño disco (Fig. 5) ubicados en un punto, siendo su dirección del elemento de mayor iluminancia hacia el de menor iluminancia.

Ef

Er E Figura 5. Vector ilumanacia E = Ef – Er. La media esférica en un punto es la iluminancia media sobre toda la superficie de una pequeña esfera ubicada en dicho punto (Fig. 6).

Es Figura 6. Iluminancia media esférica ES. La intensidad direccional de la iluminación se puede indicar por el índice de modelado dado por la relación entre la iluminancia vectorial y la iluminancia esférica media: Ε ΕS Si la medimos utilizando una esfera de radio r que recibe un haz de luz con flujo luminoso F, esta es: ΕS =

Φ 4 · π · r2

La iluminancia E en un elemento de la superficie de radio r es: Ε=

Φ π · r2

j En una habitación con luz difusa y con piso, paredes y cielorraso con reflexión difusa, tenemos que Ε j 0 (es decir, no existen j sombras). Bajo estas condiciones, el índice de modelado es Ε / Ε sj 0. En cambio, en una habitación completamente oscura donde

LUMINOTECNIA 2002

63

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

j la luz proviene de una sola dirección (por ejemplo la luz del Sol), Ε = Ε (es decir, sombras oscuras). Bajo estas condiciones, el índice j de modelado es Ε / Ε = Ε / Ε s = 4. Por lo tanto, el índice de modelado puede tener valores entre 0 y 4. j El vector Ε debe tener una dirección descendente (preferentemente entre 45° y 75° a la vertical) para obtener una apariencia natural de las facciones humanas.

Cilíndrica / Horizontal Un concepto alternativo para describir el efecto de modelado es la relación entre iluminancia cilíndrica y la iluminancia horizontal en un punto. La iluminancia cilíndrica media Ε C en un punto es la iluminancia media sobre la superficie curva de un pequeño cilindro ubicado en el punto (Fig. 7). Salvo indicación contraria, el eje del cilindro debe ser vertical.

EC Figura 7. Iluminacia cilíndrica media EC. La iluminancia cilíndrica en un punto es igual a la iluminancia vertical media en todas las direcciones en dicho punto. Se logra un buen modelado cuando la relación es : 0'3 ≤

ΕC ΕH

≤3

Cabe destacar que en general la dirección es tomada en cuenta automáticamente, por lo tanto no se necesita especificarla adicionalmente, como en el caso de la relación vectorial / esférica: cuando la luz proviene directamente de arriba, ΕC = 0 y ΕC / ΕH = 0; cuando la luz es horizontal, ΕH = 0 y ΕC / ΕH j q.

Vertical / Semicilíndrica Las pruebas que se han llevado a cabo relacionadas con la iluminación de áreas exteriores para peatones (con niveles de iluminación bajos) han demostrado que la relación entre la iluminancia vertical y la semicilíndrica proporciona una media útil de aceptación de modelado de las facciones humanas, para esta área de aplicación. La iluminancia semicilíndrica Εsemincil en un punto en una dirección horizontal dada es la iluminancia media sobre una superficie curva de un semicilindro pequeño vertical ubicado en dicho punto con una superficie curva enfocada a la dirección especificada (Fig. 8).

64

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Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Esem Figura 8. Iluminancia semicilíndrica. La iluminación de relieve bien equilibrada (ni muy chata ni muy dura) se obtiene a: 0’8 ≤

ΕV Εsemincil

≤ 1’3

Las relaciones extremas son: Cero

modelado muy duro.

(π/2) = 1´57

modelado muy chato.

6.5. Ley de Lambert Existen superficies emisoras o difusas que al observarlas desde distintos ángulos se tiene la misma sensación de claridad. A estas superficies se las denomina emisores o difusores perfectos. Si L0 es la luminancia según la normal y Lα la luminancia según el ángulo de observación α, se verifica que Lα = L0 para cualquier ángulo α. Como L0 =

Ι0 S

y Lα =

Ια S · cos α

, se cumple la ecuación: Ια = Ι0 · cosα

Esta relación se conoce como Ley de Lambert y sólo la cumplen los emisores o difusores perfectos.

N

Lo Lα Io

Iα

α

Superficie Figura 9. Invariabilidad de la luminancia con el ángulo de incidencia.

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65

Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

66

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 7.

LUMINARIAS

7.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2.

Clasificación de luminarias por el grado de protección eléctrica . . . . . 70

7.3.

Clasificación de luminarias por condiciones operativas . . . . . . . . . . . . 70

7.4.

Grado de inflamabilidad de la superficie de montaje . . . . . . . . . . . . . 71

7.5.

Clasificación de las luminarias por sus condiciones de servicio . . . . . 72

7.6.

Datos básicos fotométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.7.

Eficiencia de las luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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67

68

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Capítulo 7. LUMINARIAS

7.1. Generalidades Debido a la muy alta luminancia de las lámparas, es preciso aumentar la superficie aparente de emisión para evitar molestias visuales (deslumbramientos). Por otro lado, es necesario apantallar las lámparas para protegerlas de los agentes exteriores y para que dirijan el flujo en la forma más adecuada a la tarea visual. De esta forma, los distintos estudios e investigaciones contemporáneos le dan una importancia capital al conjunto formado por la lámpara y la luminaria. Según la Norma UNE-EN 60598-1*, se define luminaria como aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias lámparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijación y la protección de lámparas, (excluyendo las propias lámparas) y, en caso necesario, los circuitos auxiliares en combinación con los medios de conexión con la red de alimentación. Elementos generales Con independencia de otras definiciones que puedan ser más o menos descriptivas, podríamos definir la luminaria como un objeto formado por un conjunto de elementos destinados a proporcionar una adecuada radiación luminosa de origen eléctrico. La materialización de esos elementos pasa en cada caso por la conjunción entre un buen diseño formal y una razonable economía de medios. Al primero corresponde resolver el control luminoso según las necesidades, que es el fin primordial; un control térmico que haga estable su funcionamiento; y un control eléctrico que ofrezca las debidas garantías al usuario. Al segundo corresponde prever un producto de fabricación sólida y eficaz; una relativa sencillez en su instalación; y un mínimo mantenimiento durante su uso. En cuanto a los elementos genéricos más característicos, cabe mencionar la carcasa o armadura, el equipo eléctrico, el reflector, la celosía o difusor y el filtro. Todos ellos definen, al mismo tiempo, otras tantas clasificaciones que veremos posteriormente. 1. Armadura o carcasa: Es el elemento físico mínimo que sirve de soporte y delimita el volumen de la luminaria conteniendo todos sus elementos. Por este concepto pueden distinguirse varios tipos: - Para interiores o exteriores. - De superficie o empotradas. - Suspendidas o de carril. - De pared, para brazo o sobre columna. - Abierta, cerrada o estanca. - Para ambientes normales o de riesgo (de corrosión o explosión). 2. Equipo eléctrico: Sería el adecuado a los distintos tipos de fuentes de luz artificial y en función de la siguiente clasificación: - Incandescentes normales sin elementos auxiliares. - Halógenas de alto voltaje a la tensión normal de la red, o de bajo voltaje con transformador o fuente electrónica. - Fluorescentes. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrónicos de encendido y control. - De descarga. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrónicos de encendido y control. 3. Reflectores: Son determinadas superficies en el interior de la luminaria que modelan la forma y dirección del flujo de la lámpara. En función de cómo se emita la radiación luminosa pueden ser: - Simétrico (con uno o dos ejes) o asimétrico. - Concentrador (haz estrecho menor de 20º) o difusor (haz ancho entre 20 y 40º; haz muy ancho mayor de 40º). - Especular (con escasa dispersión luminosa) o no especular (con dispersión de flujo). - Frío (con reflector dicroico) o normal. 4. Difusores: Elemento de cierre o recubrimiento de la luminaria en la dirección de la radiación luminosa. Los tipos más usuales son: - Opal liso (blanca) o prismática (metacrilato traslúcido). - Lamas o reticular (con influencia directa sobre el ángulo de apantallamiento). - Especular o no especular (con propiedades similares a los reflectores). 5. Filtros: En posible combinación con los difusores sirven para potenciar o mitigar determinadas características de la radiación luminosa.

* La Norma UNE-EN 60598-1 adopta la Norma Internacional CIE 598-1.

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69

Capítulo 7. LUMINARIAS

7.2. Clasificación de luminarias por el grado de protección eléctrica Las luminarias deben asegurar la protección de las personas contra los contactos eléctricos. Según el grado de aislamiento eléctrico, las luminarias pueden clasificarse como: Clase 0: Luminaria con aislamiento funcional, pero sin aislamiento doble ni reforzado en su totalidad y sin conexión a tierra. Clase I: Luminaria con al menos aislamiento funcional en su totalidad y con el terminal o contacto de conexión a tierra. Clase II: Luminaria con aislamiento doble y/o aislamiento reforzado en su totalidad y sin provisión para descarga a tierra. Clase III: Luminaria diseñada para ser conectada a circuitos de voltaje extra-bajo, y que no tiene circuitos, ni internos ni externos, que operen a un voltaje que no sea el extra-bajo de seguridad.

7.3. Clasificación de luminarias por condiciones operativas El sistema IP (International Protection – Protección Internacional) fijado por la UNE-EN 60598 clasifica las luminarias de acuerdo con el grado de protección que poseen contra el ingreso de cuerpos extraños, polvo y humedad. El término cuerpos extraños incluye aquellos elementos herramientas y dedos que entran en contacto con las partes que llevan energía. La designación para indicar los grados de protección consiste en las letras características de IP seguidas por dos números (tres números en Francia) que indican el cumplimiento de las condiciones establecidas en las tablas 1., 2. y 3. El primero de estos números es una indicación de la protección contra el ingreso de cuerpos extraños y polvo, el segundo número indica el grado de sellado para evitar el ingreso de agua, mientras que el tercer número en el sistema francés indica el grado de resistencia a los impactos. Primer número característico

Breve descripción

Símbolo

0

No protegida.

No tiene

1

Protegida contra objetos sólidos mayores de 50 mm.

No tiene

2

Protegida contra objetos sólidos mayores de 12’5 mm.

No tiene

3

Protegida contra objetos sólidos mayores de 2’5 mm.

No tiene

4

Protegida contra objetos sólidos mayores de 1 mm.

No tiene

5

Protegida contra polvo.

6

Hermética al polvo. Tabla 1. Clasificación EN-60598 por grado de protección contra polvo (1ª cifra).

Segundo número característico

Breve descripción

0

No protegida.

1

Protegida contra gotas de agua en caída vertical.

2

Protegida contra caída de agua verticales con una inclinación máxima de 15º de la envolvente.

3

Símbolo No tiene

No tiene

Protegida contra el agua en forma de lluvia fina formando 60º con la vertical como máximo.

4

Protegida contra proyecciones de agua en todas las direcciones.

5

Protegida contra chorros de agua en todas las direcciones.

6

Protegida contra fuertes chorros de agua en todas

. las direcciones. 7

Protegida contra efectos de inmersión temporal en agua.

8

Protegida contra la inmersión continua en agua. Tabla 2. Clasificación EN-60598 por grado de protección contra el agua (2ª cifra).

70

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No tiene -m

Capítulo 7. LUMINARIAS

Tercera cifra del código Esta cifra hace referencia a ensayos mecánicos a choque. En la siguiente tabla se indican las cifras características con una breve descripción. Tercer número característico

Breve descripción

Símbolo

0

Ninguna protección

No tiene

1

Protección contra un impacto de 0´225 J. de energía

No tiene

3

Protección contra un impacto de 0´5 J. de energía

No tiene

5

Protección contra un impacto de 2 J. de energía

No tiene

7

Protección contra un impacto de 6 J. de energía

No tiene

9

Protección contra un impacto de 20 J. de energía

No tiene

Tabla 3. Clasificación EN-60598 contra impactos mecánicos. En lugar de esta tercera cifra, también es de aplicación la Norma EN-50102 sobre “Grados de Protección proporcionados por las envolventes de materiales eléctricos contra impactos mecánicos externos (código IK)”. En dicha Norma, el grado de protección proporcionado por una envolvente contra los impactos se indica mediante el código IK de la siguiente forma: - Letras del código (protección mecánica internacional): - Grupo de cifras características:

IK

De 00 a 10

Cada grupo de cifras características representa un valor de la energía de impacto, cuya correspondencia se presenta en la Tabla 4. Código IK

IK00

Ik01

IK02

IK03

IK04

IK05

IK06

IK07

IK08

IK09

IK10

Energía de impactos en Julios.

*

0,15

0,2

0,35

0,5

0,7

1

2

5

10

20

Tabla 4. Correspondencia entre código IK y la energía de impacto. Generalmente, el grado de protección se aplica a la envolvente en su totalidad. Si algunas partes de esta envolvente tienen grados de protección diferentes, éstos deben indicarse por separado.

7.4. Grado de inflamabilidad de la superficie de montaje Las luminarias no pueden ser montadas sobre cualquier superficie conveniente. La inflamabilidad de esa superficie y la temperatura del cuerpo de la luminaria imponen ciertas restricciones al respecto. Naturalmente, si la superficie es no-combustible, no existe ningún problema. A los fines de la clasificación, la EN-60598 define a las superficies inflamables como normalmente inflamables o fácilmente inflamables. La clasificación normalmente inflamable hace referencia a aquellos materiales cuya temperatura de ignición es de al menos 200 ºC y que no se debilitan ni deforman a esa temperatura. La clasificación fácilmente inflamable hace referencia a aquellos materiales que no pueden ser clasificados como normalmente inflamables o no-combustibles. Los materiales de esta categoría no pueden ser utilizados como superficie de montaje para luminarias. El montaje suspendido es la única alternativa en estos casos. En la Tabla 5 se puede observar la clasificación de montaje que se ha hecho sobre la base de estos requerimientos. Clasificación Luminarias adecuadas para montaje directo sólo sobre

Símbolo Sin símbolo, sólo se requiere una nota de advertencia.

superficies no combustibles. Luminarias adecuadas para montaje directo sobre superficies normalmente inflamables.

F

Sobre la placa de tipo.

Tabla 5. Clasificación de la EN-60598 para montaje de luminarias.

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71

Capítulo 7. LUMINARIAS

7.5. Clasificación de las luminarias por sus condiciones de servicio Por sus condiciones de servicio, las luminarias se pueden clasificar en los siguientes tipos:

7.5.1. Luminarias para instalaciones de iluminación interior Entendemos que dentro de este grupo están las luminarias destinadas a la iluminación de locales y naves dedicadas a centros comerciales, industrias, oficinas, edificios docentes, instalaciones deportivas cubiertas, etc. Por lo tanto, este tipo de alumbrado trata de dotar de la iluminación adecuada a aquellos lugares donde se desarrolla una actividad laboral o docente. Las luminarias para la iluminación general de interiores se encuentran clasificadas por la C.I.E. de acuerdo con el porcentaje de flujo luminoso total distribuido por encima y por debajo del plano horizontal. Clase de luminaria

% distribución del flujo hacia arriba

% distribución del flujo hacia abajo

00 - 010

90 - 100

Semi-directa

10 - 040

60 - 090

Directa-indirecta

40 - 060

40 - 060

General difusa

40 - 060

40 - 060

Semi-indirecta

60 - 090

10 - 040

Indirecta

90 - 100

00 - 010

Directa

Tabla 6. Clasificación C.I.E. para luminarias de iluminación general de interiores.

Directa

Semi-directa

General-difusa

0~10%

10~40%

40~60%

90~100%

60~90%

40~60%

Directa-indirecta

Semi-indirecta

Indirecta

40~60%

60~90%

90~100%

40~60%

10~40%

0~10%

Figura 1. Clasificación de luminarias según la radiación del flujo luminoso. A su vez, con respecto a la simetría del flujo emitido, se puede hacer una clasificación en dos grupos: 1)

Luminarias de distribución simétrica: Aquellas en las que el flujo luminoso se reparte de forma simétrica respecto al eje de simetría y la distribución espacial de las intensidades luminosas se puede representar en una sola curva fotométrica.

2)

Luminarias de distribución asimétrica: Son aquellas en las que el flujo luminoso se distribuye de forma no simétrica respecto al eje de simetría y la distribución espacial de las intensidades luminosas se expresa mediante un sólido fotométrico o, parcialmente, con una curva plana de dicho sólido según diversos planos característicos.

Información fotométrica que acompaña a las luminarias para iluminación interior Curvas de distribución polar Estas curvas generalmente se suelen representar para el sistema de coordenadas C-
. Como existen infinitos planos, se dan en general tres planos C representados, que son:

72

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Capítulo 7. LUMINARIAS

- El plano C = 0°. - El plano C = 45°. - El plano C = 90°. Las curvas de distribución polar están en las unidades de cd por 1.000 lúmenes de flujo emitido por lámpara y se representa por cd/1.000 lm o cd/Klm. (Fig. 2).

C=90° 0

C=45° 200

100

C=0° 300

400

Cd/Klm

80° 70°

60°

50° GM=0

10°

20°

30°

40°

Figura 2. Diagrama polar en el sistema C-γ. Diagrama de flujo zonal Estos diagramas nos indican el flujo recibido por la superficie a iluminar directamente desde la luminaria en función del ángulo γ. La obtención de este diagrama se basa en la creación de conos cuyos ejes coinciden con el vertical de la luminaria y los ángulos de generatriz con este eje son los ángulos γ. El tanto por ciento de luz recogido por cada uno de estos conos es lo que se representa en el diagrama (Fig. 3).

100% 80% 60% 40% 20% GM=0

20°

40°

60°

80°

100°

120°

140°

160°

180°

Figura 3. Diagrama de Flujo Zonal. Para luminarias concentradoras, a partir de ángulos pequeños se obtendrá un alto porcentaje de flujo, por lo que el diagrama inicialmente mostrará una curva de gran pendiente en los primeros ángulos y a partir de un cierto ángulo se mantiene prácticamente paralela al eje de abcisas. Esto es debido a que casi la totalidad del flujo se distribuye en ángulos pequeños, es decir, se concentra en un pequeño rango de ángulos.

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73

Capítulo 7. LUMINARIAS

Para luminarias dispersoras el diagrama mostrará una curva de pendiente más atenuada, ya que el flujo varía poco a poco a medida que aumentamos el ángulo. Diagrama de deslumbramiento Estos diagramas se basan en el Sistema de protección del deslumbramiento de la C.I.E. Las curvas que representan estos diagramas son de limitación de la luminancia. Dichas curvas abarcan una escala de índices de deslumbramiento (clases de calidad desde A a la E marcadas por la C.I.E.) y diferentes valores de iluminancia de servicio standard. Se deben utilizar dos diagramas que dependen del tipo de luminaria y de la orientación según la visión. La limitación de luminancia requerida depende del tipo de orientación de la luminaria, del ángulo de apantallamiento, del grado de aceptación o clase de calidad, y del valor de la iluminancia en servicio. En la Fig. 4a y 4b se muestran los diagramas de las curvas de luminancia para la evaluación del deslumbramiento directo. El diagrama 1 es para aquellas direcciones de la visión paralelas al eje longitudinal de cualquier luminaria elongada y para luminarias que no poseen paneles luminosos laterales observadas desde cualquier dirección. El diagrama 2 es para aquellas direcciones de visión en ángulos rectos al eje longitudinal de cualquier luminaria con paneles luminosos laterales. Se define: - Laterales luminosos: Una luminaria posee laterales luminosos si tiene un panel lateral luminoso con una altura de más de 30 mm. - Elongada: Una luminaria es elongada cuando la relación entre la longitud y el ancho del área luminosa es superior a 2:1.

C=90

C=90 C=0 C=180 C=270

C=270

85

a

b

c

d

e

f

g

h

GM

8 6 4

75

3 a/h

65

2

55

45

3

9 10 G 1.15 1.50 1.85 2.20 2.55

2

3

Calidad A B C D E

4

5

2

6 7 8 9 10 Cd/m

1000 2000

b

500 1000 2000

c

= 1200

650-1200

6

> 1200

7

Tabla 3 13.1.3.1.2. Factores de ponderación en función de la composición del tráfico El grado de dificultad de la tarea de conducir un vehículo en una carretera está influido generalmente, tal como se ha indicado, por la velocidad e intensidad de tráfico y, asimismo, por la composición del tráfico y por el trazado de la carretera y su entorno. La composición del tráfico también influye en el diseño del alumbrado de los túneles en varios aspectos: - Porcentaje de camiones. - Presencia/ausencia de motocicletas y/o ciclistas. - Presencia/ausencia de limitación para permitir el tránsito de mercancías peligrosas. El diseño de alumbrado en los túneles ha de ser adaptado a las circunstancias anteriores, requiriéndose mayores niveles luminosos o mejor alumbrado de las paredes o la calzada, cuando las condiciones son más difíciles o más peligrosas. Los factores de ponderación en función de la composición del tráfico son los siguientes:

FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL TRÁFICO COMPOSICIÓN DEL TRÁFICO

FACTOR DE PONDERACIÓN

Tráfico motorizado

0

Tráfico motorizado (porcentaje de camiones > 15%)

1

Tráfico mixto

2 Tabla 4

13.1.3.1.3. Factores de ponderación en función del guiado visual El conductor de un vehículo debe poseer la información adecuada al circular por el interior del túnel. Esto puede conseguirse dividiendo la superficie longitudinal del túnel en varias superficies de contraste, como por ejemplo utilizando una pared clara y un techo oscuro. El guiado visual es de especial importancia: - Cuando se aproxima el usuario al túnel.

240

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

- Especialmente si la cota de la entrada del túnel es baja. Los factores de ponderación en función del guiado visual son los siguientes:

FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DEL GUIADO VISUAL GUIADO VISUAL

FACTOR DE PONDERACIÓN

Guiado visual bueno

0

Guiado visual pobre

2 Tabla 5

El guiado visual proporcionado por el alumbrado del túnel debe permitir incrementar la visibilidad de la calzada y de la señalización vertical y horizontal, especialmente esta última, instalando asimismo balizamiento (captafaros, hitos, etc.) tanto en la calzada como en las paredes del túnel al objeto de mejorar el guiado visual. En este sentido a la hora de establecer los factores de ponderación en función del guiado visual (Tabla 5), se tendrá en cuenta la instalación adicional de dispositivos retrorreflectantes en las paredes y en la superficie de la calzada, especialmente para los túneles que corresponden a las clases de alumbrado 5, 6 y 7 (Tabla 7). 13.1.3.1.4. Factores de ponderación en función de la comodidad en la conducción La comodidad en la conducción de vehículos en los túneles debe tenerse en cuenta en el alumbrado de los mismos, entendiendo como tal la facilidad y mínimo esfuerzo que deben realizar los usuarios en la conducción de vehículos, debido a la completa información recibida y a la carencia de complejidad en el campo visual. Los factores de ponderación en función de la comodidad en la conducción de vehículos son los siguientes: FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DE LA COMODIDAD EN LA CONDUCCIÓN COMODIDAD EN LA CONDUCCIÓN

FACTOR DE PONDERACIÓN

Se requiere una baja comodidad

0

Se requiere una comodidad media

2

Se requiere una comodidad elevada

4 Tabla 6

13.1.3.2. Clases de alumbrado para túneles largos Una vez establecidos los factores de ponderación en función de la intensidad y composición del tráfico (Tablas 3 y 4), así como los correspondientes factores en función del guiado visual y de la comodidad en la conducción de vehículos (Tablas 5 y 6), se definen las clases de alumbrado para túneles largos:

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241

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

CLASES DE ALUMBRADO PARA TÚNELES LARGOS SUMA DE FACTORES

FACTOR DE PONDERACIÓN

DE PONDERACIÓN 0-3

1

4-5

2

6-7

3

8-9

4

10-11

5

12-13

6

14-15

7 Tabla 7

13.2. Iluminación de túneles largos Las principales características fotométricas necesarias para establecer la calidad del alumbrado de un túnel son las siguientes: - Nivel de luminancia de la calzada. - Nivel de luminancia de las paredes, en particular hasta una altura de 2 m. - Uniformidad de distribución de luminancia en calzada y paredes. - Limitación del deslumbramiento. - Control del efecto Flicker. En la Fig. 4 se ha representado una sección longitudinal de un túnel largo unidireccional interurbano, detallando las longitudes y niveles de luminancia de las diferentes zonas del mismo. La nomenclatura y correspondiente definición de dichos niveles luminotécnicos se concreta a continuación: L20 = Luminancia en la zona de acceso. Lth = Luminancia en la zona umbral. Ltr = Luminancia en la zona de transición. Ln = Luminancia en la zona del interior. Lex = Luminancia en la zona de salida.

Entrada

Salida

Dirección del tráfico

Salida

Entrada

Longitud del túnel

L20 Lth Luminancia

Lex Ltr

Zona de acceso DS

Zona de Zona de umbral transición

Lin

Zona del interior

DS Zona de entrada

DS DS= Distancia de Seguridad Dirección del tráfico

Figura 4

242

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Zona de salida

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

13.2.1. Luminancia en la zona de acceso La zona de acceso es la parte de la carretera a cielo abierto, situada inmediatamente anterior a la entrada o portal del túnel, que cubre la distancia a la que un conductor que se aproxima debe ser capaz de ver en el interior del túnel. La longitud de la zona de acceso es igual a la distancia de seguridad (DS), tal y como se ha indicado en la Fig. 4. El valor de luminancia necesario al comienzo de la zona de umbral tiene que basarse en el valor de la luminancia en la zona de acceso L20 a una separación delante del túnel igual a la distancia de seguridad (DS). Bajo idénticas condiciones de luz diurnas, los túneles con distintas zonas de aproximación y alrededores (distinta orografía, entorno, etc.) tendrán valores considerablemente diferentes de luminancia en la zona de acceso L20. Para diseñar y proyectar la instalación de alumbrado de un túnel se necesita conocer el valor máximo de L20 que tiene lugar con una frecuencia suficiente durante todo el año, a una separación delante del túnel igual a la distancia de seguridad (DS). Como en la mayoría de los casos este valor L20 depende de las condiciones estacionales y del tiempo meteorológico, se utilizan dos métodos empíricos simplificados para la evaluación de L20. A continuación exponemos dos métodos para calcular la luminancia en la zona de acceso. Método de aproximación Como su propio nombre indica este método da solamente una indicación aproximada, y únicamente debe utilizarse cuando no exista información suficientemente detallada acerca de los alrededores inmediatos de la boca de entrada del túnel. Este método consiste en la elección de la luminancia de la zona de acceso mediante la Tabla 8 expresada en Kcd/m2 (103 cd/m2).

TABLA A LUMINANCIA MEDIA DE LA ZONA DE ACCESO L20 (Kcd/m2) PORCENTAJE DE CIELO (%) EN LOS CAMPOS DE VISIÓN CÓNICOS A 20° 35% TIPOS DE VÍAS

NORMAL B

Situación de brillo en el campo de visión

NIEVE B

(1)

Distancia de seguridad 60 m Distancia de seguridad 100 a 160 m

A

A

NORMAL B

(1)

(4) 4

25%

4

NIEVE B

(1)

(4) 6

A

6

10% NORMAL

A

B

(1)

A

NIEVE B

(2)

4

5

4

5

4

6

4

6

2,5 3,5 3

4,5

0% NORMAL

A (3)

3 3

B

A (2)

3,5 1,5 5

2,5

NIEVE B

A (3)

3

1,5

4

5

2,5

5

Siendo: 1) Efecto dependiente fundamentalmente de la orientación del túnel: «B»: Bajo; En el hemisferio norte: «entrada sur». «A»: Alto; En el hemisferio norte: «entrada norte». Para entradas este y oeste deben elegirse valores intermedios entre bajo y alto. 2) Efecto dependiente fundamentalmente del brillo de los alrededores: «B»: Bajo; Reflectancias de los alrededores bajas. «A»: Alto; Reflectancias de los alrededores altas. 3) Efecto dependiente fundamentalmente de la orientación del túnel: «B»: Bajo; En el hemisferio norte: «entrada norte». «A»: Alto; En el hemisferio norte: «entrada sur». Para entradas este y oeste deben elegirse valores intermedios entre bajo y alto. 4) Para una distancia de parada de 60 m no se encuentran en la práctica porcentajes de cielo del 35$. Notas: La «entrada norte» significa la entrada para conductores de vehículos viajando hacia el sur. La «entrada sur» expresa la entrada pra conductores de vehículos viajando hacia el norte.

Tabla 8 Método exacto La luminancia de la zona de acceso L20 es la luminancia media contenida en un campo cónico de visión que subtiende un ángulo del 20%, con el vértice en la posición del ojo del conductor, situado a una distancia anterior al túnel igual a la distancia de parada, y orientado el cono hacia el portal de túnel sobre un punto situado a una altura de 1/4 de la boca del túnel.

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243

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

La determinación de la luminancia de la zona de acceso L20 tiene una gran transcendencia, ya que es la que predetermina el nivel a obtener mediante el alumbrado en la zona umbral. Dicha luminancia de la zona de acceso depende de las condiciones atmosféricas del lugar donde está situado el túnel. El cálculo de la luminancia de la zona de acceso L20 se obtiene a partir de un croquis de los alrededores de la zona del túnel y se utiliza la fórmula siguiente: L20 = a * Lc + b * LR + c * LE + d * Lth en donde: a

=

% de cielo.

Lc

=

Luminancia de cielo.

b

=

% de carretera.

LR

=

Luminancia de carretera.

c

=

% de entorno.

LE

=

Luminancia del entorno.

d

=

% de boca de túnel.

Lth =

Luminancia de zona de umbral.

con:

a+b+c+d=1

En la fórmula la incógnita a determinar es el valor de la luminancia de la zona de umbral (Lth). Cuando nos encontramos con distancias de paradas superiores a 100 m. el tanto por ciento de boca de entra de túnel es bajo (< al 10%) y como Lth tiene también un valor bajo respecto a los otros valores de luminancia se puede despreciar la contribución de Lth. Para una distancia de parada de 60 m., la norma establece: L20 = (a * Lc + b * LR + c * LE) / (1 / K) como K nunca excede de 0,1 tenemos: L20 = a * Lc + b * LR + c * LE siendo a + b + c < 1. Si no se dispone de los datos para conocer exactamente el valor de “a, b, c y d” utilizamos los definidos en los siguientes esquemas. Si no disponemos de valores de entornos o alrededores utilizamos los siguientes:

Sentido

Cielo

Carretera

Entorno

de

(Lc)

(LR)

(LE)

conducción

Kcd/m

2

Kcd/m

2

Rocas

Kcd/m2 Edificios

Nieve

Hierba

N

8

3

3

8

15 (M, H)

2

E-O

12

4

2

6

10 (M)

2

15 (H) S

16

5

1

4

5 (M)

2

15 (H) Tabla 9 De esta tabla obtenemos el valor de “L” y para realizar la definición del % de cielo que contribuye al valor L20 en la instalación objeto estudio, utilizamos la Fig. 5.

244

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

Distancia de seguridad 160 m. Cielo 35%

Distancia de seguridad 100 m. Cielo 27%

Distancia de seguridad 60 m. Cielo 14%

Distancia de seguridad 100 m. Cielo 18%

Distancia de seguridad 160 m. Cielo 14%

Distancia de seguridad 100 m. Cielo 3%

Distancia de seguridad 100 m. Cielo 18%

Distancia de seguridad 100 m. Cielo 4% Figura 5

13.2.2. Iluminación en la zona de entrada Tal y como se representa en la Fig. 4, la entrada del túnel consta de dos tramos consecutivos: la zona de umbral, que es

LUMINOTECNIA 2002

245

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

la más próxima a la boca del mismo y la zona de transición. 13.2.2.1. Niveles de iluminación en la zona de umbral La zona de umbral es la primera parte del túnel ubicada directamente después del portal, comenzando, por tanto, en la boca del mismo. El nivel de luminancia Lth (luminancia media en servicio de la superficie de la calzada con mantenimiento de la instalación), que debe ser proporcionado por el alumbrado durante el día al comienzo de la zona de umbral, es un porcentaje de la luminancia de la zona de acceso L20, de forma que se verifica: Lth = k · L20 El factor k se establece en la Tabla 10 teniendo en cuenta el sistema de alumbrado adoptado (contraflujo o simétrico), la distancia de seguridad (DS) y la clase de alumbrado definido en la Tabla 7 en función de los factores de ponderación (intensidad y composición del tráfico, guiado visual y confort en la conducción de vehículos).

VALORES DE k · 103 PARA LA ZONA DE UMBRAL SISTEMA DE

CONTRAFLUJO

SIMÉTRICO

Distancia de Seguridad (DS)

Distancia de Seguridad (DS)

ALUMBRADO Clase de alumbrado

60 m

100 m

160 m

60 m

100 m

160 m

1

10

15

30

15

20

35

2

15

20

40

20

25

40

3

20

30

45

25

35

45

4

25

35

50

30

40

50

5

30

40

55

35

50

65

6

35

45

60

40

55

80

7

40

50

70

50

60

100

Notas: Para distancias de seguridad o de parada (DS) comprendidas entre las señaladas (60-100 y 160 m), los valores del factor (k) se obtienen por interpolación lineal entre las cifras establecidas en la talba. Los valores del factor (k) para el sistema de alumbrado a contraflujo se han determinado para garantizar, en la mayor parte de las circunstancias, un grado de seguridad y comodidad la menos comparable al logrado con el sistema de alumbrado simétrico. Las distancias de seguridad o de para de 60, 100 y 160 m equivalen respectivamente a velocidades de diseño del túnel de 60, 80 y 100 km/h.

Tabla 10 13.2.2.2. Longitud de la zona de umbral La longitud de la zona de umbral debe ser como mínimo igual a la distancia de seguridad (DS). En la primera mitad de dicha distancia (DS), la luminancia en la calzada será igual a Lth, es decir, el valor al comienzo de la zona de umbral. A partir de la mitad de la distancia de seguridad (DS), la luminancia de la calzada puede disminuir gradual y linealmente hasta un valor, al final de la zona de umbral, igual a 0’4 · Lth (Fig. 6). La reducción gradual en la segunda mitad de la zona de umbral puede realizarse de forma escalonada, de manera que la relación entre escalones no exceda de la relación 3:1 y la luminancia no caiga por debajo de los valores correspondientes a la disminución gradual lineal. 13.2.2.3. Luminancia de las paredes La luminancia media de las paredes en la zona de umbral, hasta una altura de 2 m., debe ser similar a la luminancia media de la superficie de la calzada. 13.2.2.4. Luminancia y longitud de la zona de transición La zona de transición es la parte del túnel que sigue a la zona de umbral, tal y como se indica en la Fig. 4. Por tanto, comienza al final de la zona de umbral y termina al inicio de la zona del interior.

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL NIVEL DE ILUMINACION EN LAS DISTINTAS ZONAS 0,5 DS

L% 100 80 60

Lth Ltr = Lth(1,9 + t)-1-428 Ltr = Lth(1,9 + t)-1-428 con Lth = 100% y t = tiempo en segundos

40

20 10 8 6 4

2 t. sec.

1

0

2

4

6

8 10 12 Zona de transición

Zona de umbral Distancia de Seguridad (DS)

14

16

18

20

60 Km./h 100 m.

200 m.

300 m. 80 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m. 100 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m.

500 m. 120 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m.

500 m.

600 m.

Luminancia mínima en la zona de entrada. El valor de 100% corresponde a la primera mitad de la zona de umbral

Figura 6 De conformidad con la Fig. 6, la longitud de la zona de transición es la distancia que debe recorrer un vehículo para pasar, adoptándose visualmente, desde el nivel de luminancia del final de la zona de umbral, hasta el valor de la luminancia en el comienzo de la zona del interior. En consecuencia, para cada velocidad del vehículo la reducción permisible de la luminancia en la zona de transición Ltr, es función de la distancia recorrida en la mencionada zona. La luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación de la zona de transición Ltr disminuye gradualmente, desde la luminancia de la zona de umbral hasta la luminancia de la zona del interior. En cualquier posición en la zona de transición, la luminancia de la superficie de la calzada debe ser igual o exceder a la luminancia establecida en la Fig. 6. La curva de la Fig. 6 es el resultado de numerosas pruebas experimentales en función de la adaptación del ojo desde altos niveles de luminancia a valores muy bajos que han dado lugar a una aproximación matemática que responde a la siguiente expresión: Ltr = Lth · (1’9 + t)-1’428 siendo: t = tiempo en segundos. En la práctica, el descenso de la luminancia en la zona de transición puede llevarse a cabo mediante una serie de escalones que deben ser menores que la relación 3:1 y la luminancia no puede alcanzar valores inferiores a los de la curva de la Fig. 6, alcanzándose el final de la zona de transición cuando su luminancia es igual a tres veces el nivel de la zona del interior del túnel. Se deberá cumplir además que la luminancia media de las paredes del túnel hasta una altura de 2 m., en cualquier posición específica de la zona de transición, no debe ser menor que la luminancia media de la calzada en dicho lugar.

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

13.2.3. Iluminación de la zona del interior La zona del interior es la parte del túnel que sigue directamente a la zona de transición. Su longitud viene dada por la distancia existente entre el final de la zona de transición y el comienzo de la zona de salida. Los niveles de la luminancia Lin de la zona del interior del túnel, que son constantes a lo largo de dicha zona, puesto que ha finalizado la adaptación del ojo desde los altos valores luminosos del exterior, se establecen en la Tabla 11 en función de la distancia de seguridad (DS) y de la clase de alumbrado definido en la Tabla 7. Hasta una altura de 2 m., las paredes del túnel deben tener una luminancia media similar a la luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación Lin. El nivel de luminancia en la zona del interior del túnel debe permitir alcanzar los siguientes objetivos: - Visibilidad de cualquier obstáculo eventual sobre la calzada a una distancia como mínimo igual a la distancia de seguridad, teniendo en cuenta la opacidad de la atmósfera del túnel debido a los gases de escape de los vehículos. - Guiado sin ambigüedades de los vehículos. - Buena calidad del ambiente luminoso, cuyo efecto psicológico es importante sobre todo en los túneles muy largos. Se debe señalar que los niveles de la zona del interior se consiguen en toda la longitud del túnel, igualmente en las denominadas zonas de refuerzo del alumbrado (zona de entrada y, en su caso, de salida), donde a esta iluminación se le denomina alumbrado base.

LUMINANCIAS EN cd/m2 EN LA ZONA DEL INTERIOR SISTEMA DE

DISTANCIA DE SEGURIDAD (DS)

ALUMBRADO

60 m

100 m

1

0,5

2

3

2

1,5

2

4

3

2,5

3

5

4

2,5

3

6

5

2,5

4

6

6

3,5

5

8

7

3,5

6

10

160 m

Tabla 11

13.2.4. Iluminación de la zona de salida La zona de salida es la parte del túnel en la que, durante el día, la visión del conductor está influida predominantemente por la elevada luminancia exterior del túnel. La zona de salida comienza al final de la zona del interior y termina en la boca de salida del túnel. En la zona de salida del túnel debe establecerse un nivel de luminancia Lex en la calzada, para iluminar directamente los vehículos, de forma que los más pequeños resulten visibles en la zona de salida del túnel, dado que sin reforzamiento del alumbrado por encima de los niveles de la zona del interior Lin, permanecerían ocultos detrás de los vehículos grandes, debido al deslumbramiento originado por la luz diurna de salida del túnel. Asimismo, dicha luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación Lex de la zona de salida del túnel, posibilita a los conductores de los vehículos que están saliendo del mismo tener suficiente visión, a través de los espejos retrovisores, de la parte posterior o trasera del vehículo, particularmente cuando la distancia entre vehículos sea corta (intensidad de tráfico elevada). Todo ello, aún teniendo en cuenta que pasar de una luminancia interior Lin débil a una luminancia en el exterior del túnel elevada, la adopción del ojo del conductor es muy rápida y en general no plantea problemas para el usuario. Sin embargo, en los túneles largos unidireccionales cuya clase de alumbrado sea 6 y 7, de acuerdo con lo dispuesto en la Tabla 7, la luminancia en la zona de salida Lex deberá aumentar linealmente a lo largo de una longitud como mínimo igual a

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

la distancia de seguridad (DS), a partir de la luminancia de la zona del interior, a un nivel 5 veces superior al de la zona del interior (Lex = 5 · Lin) a una distancia de 20 m., antes de llegar a la boca o portal de salida del túnel. El aumento lineal de la luminancia podrá realizarse escalonadamente de forma que la relación entre escalones no exceda de la relación 3:1 en una longitud, como mínimo, igual a la distancia de seguridad (DS). En los casos de túneles unidireccionales cuyas clases de alumbrado sean 1 a 5 ambas inclusive, la zona de salida tendrá la misma luminancia que la zona del interior del túnel (Lex = Lin), no requiriéndose alumbrado adicional sobre el previsto en la zona del interior. No obstante, con independencia de la clase de alumbrado que corresponda al túnel, en ciertos casos particulares de túneles unidireccionales, donde existan serios riesgos de molestia y deslumbramiento a la salida, debido por ejemplo a la orientación del túnel o a las incomodidades ocasionadas por la salida y ocaso del Sol, deberá reforzarse el alumbrado de la zona de salida del túnel en las condiciones establecidas para los de clase de alumbrado 6 y 7.

13.2.5. Uniformidad de la luminancia de la calzada En los túneles, la calzada y las paredes actúan como delimitadores o guías visuales para el tráfico de vehículos, de ahí que deba alcanzarse una buena uniformidad en la calzada y en las paredes de los túneles hasta una altura de 2 m. En la Tabla 12 se establecen los valores mínimos en servicio con mantenimiento de la instalación de la uniformidad global y longitudinal de luminancias en las calzadas de los túneles, en todas sus zonas, es decir, en la longitud total de los mismos y la anchura completa de la calzada, en función de la clase de alumbrado.

UNIFORMIDADES DE LUMINANCIA DE LA SUPERFICIE DE LA CALZADA CLASE DE

UNIFORMIDADES

ALUMBRADO

Global U0

Longitudinal U1

1-2-3

0,3

0,5

4-5-6-7

0,4

0,6

Tabla 12

13.2.6. Limitación del deslumbramiento Dado que el deslumbramiento reduce la visibilidad, es muy importante minimizarlo en el alumbrado de túneles. El deslumbramiento perturbador, definido como el incremento de umbral de contraste (TΙ) necesario para ver un obstáculo cuando hay deslumbramiento, se especifica mediante las siguientes expresiones: TI = 65 · TI = 95 ·

LV

· (Lm) 0,8 LV

· (Lm) 1,05

en % para 0’05 [ Lm [ 5

cd/m2

en % para Lm > 5

cd/m2

donde: TI = Incremento de umbral correspondiente al deslumbramiento perturbador. Lv = Luminancia de velo total en cd/m2. Lm = Luminancia media de la calzada en cd/m2. El incremento de umbral (TI) debe ser menor del 15% para las zonas de umbral, de transición y zona interior durante el día, y para todas las zonas durante la noche. Para la zona de salida durante el día no existe limitación en el deslumbramiento perturbador.

13.2.7. Control del efecto Flicker La sensación de parpadeo o efecto Flicker es la impresión molesta e incómoda producida por las variaciones periódicas de la luminancia en el campo de visión. Tales sensaciones se experimentan cuando se conduce un vehículo a través de cambios periódicos espaciales de luminancia, como los producidos por las luminarias instaladas en las paredes o techos de los túneles cuando existe una separación inadecuada entre las mismas, con una elevada velocidad de cambio en la distribución de la

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

intensidad luminosa. La incomodidad visual experimentada por el conductor debida al parpadeo o efecto Flicker depende fundamentalmente de los siguientes factores: - Número de cambios de la luminancia por segundo (frecuencia de parpadeo o Flicker). - Duración total del efecto Flicker. - Velocidad de cambio de claro a oscuro, en un solo ciclo. - Relación de pico-luz a valle-oscuridad, dentro de cada periodo (profundidad de modulación de luminancia). La influencia de los tres primeros puntos, dependen de la velocidad del vehículo y de la separación entre luminarias; el último punto depende también de las características fotométricas (distribución de la intensidad luminosa) e interdistancia entre luminarias. Cuando la distancia entre los extremos de las luminarias adyacentes es inferior a la longitud de una sola luminaria, el tercer punto relativo a la velocidad de cambio de claro a oscuro queda minimizado, y el parpadeo o efecto Flicker percibido resulta despreciable, debido a que la implantación de la instalación de alumbrado puede asimilarse a una línea continua. Para calcular la frecuencia de parpadeo o Flicker en una zona del túnel, se divide la velocidad del tráfico en metros/segundo por la separación entre luminarias en metros. Ejemplo: v = 60 Km/h. = 16’6 m/s. Separación entre luminarias = 4 m. Frecuencia de parpadeo o Flicker = 16’6 / 4
4’2 Hz. Deben evitarse frecuencias de parpadeo o Flicker (variación de la luminancia), comprendidas entre 2’5 Hz. y 15 Hz. a la velocidad de circulación durante más de 20 segundos, dado que el efecto de parpadeo puede despreciarse para frecuencias por debajo de 2’5 Hz. y por encima de 15 Hz.

13.2.8. Alumbrado nocturno Si el túnel se encuentra en un tramo de carretera iluminado, el alumbrado nocturno del túnel debe ser al menos igual al de la carretera de acceso, recomendándose de 1’5 a 2 veces los valores del tramo exterior, en lo que respecta al nivel de luminacia de la superficie de la calzada. Las uniformidades de luminancia por la noche deberán satisfacer las mismas exigencias que en el caso del alumbrado diurno, ajustándose, por tanto, a los valores mínimos establecidos en la Tabla 12. Todo lo anterior será igualmente de aplicación para túneles de 100 m. de longitud que no estén iluminados durante el día. En el caso de túneles que se encuentran situados en una sección de carretera que no está iluminada, además de instalar alumbrado en el túnel de acuerdo con lo establecido en el párrafo anterior, la vía posterior a la salida del túnel debe iluminarse en una longitud igual a 2 veces la distancia de seguridad (DS) y como mínimo en un recorrido de 200 m., con una luminancia media superior a 1/3 de la luminancia de la calzada en la zona de salida del túnel. El alumbrado nocturno en los tramos de paralúmenes o pantallas para luz diurna en la zona de entrada y/o salida del túnel, será igual al de la zona del interior del túnel. En el supuesto de que por razones de seguridad se instale y funcione un sistema de vigilancia del tráfico de vehículos mediante cámaras de televisión, el nivel nocturno mínimo será de 1 cd/m2. Para el alumbrado nocturno general de todas las zonas del túnel, el valor mínimo en servicio con mantenimiento de la instalación de la luminancia media de la calzada será establecido en la Tabla 13.

LUMINANCIAS EN cd/m2 DEL ALUMBRADO NOCTURNO CLASE DE ALUMBRADO

LUMINANCIA MEDIA cd/m2

1-2

0,5

3-4-5-6-7

1,0 Tabla 13

250

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

13.3. Iluminación de túneles cortos y pasos inferiores Los túneles cortos y los pasos inferiores presentan la disyuntiva de dotarlos o no de alumbrado diurno. Una vez resuelto el dilema en el sentido de requerir dicha instalación, debe decidirse el tipo de alumbrado diurno a implantar, bien limiyado, completo o de las mismas características que los túneles largos. El factor crítico para establecer alumbrado diurno viene determinado por la certeza o no de que, los conductores de los vehículos que se aproximan al túnel y se encuentran a una distancia igual a la de seguridad (DS), vean los vehículos y, en su caso, los peatones que atraviesan el mismo. Asimismo, la exigencia de alumbrado artificial diurno está relacionada con el grado en el que la salida del túnel corto o paso inferior es visible para un conductor situado enfrente de la entrada, a la distancia de seguridad (DS), es decir, la visión a través de túnel que depende de los siguientes factores: - Longitud del túnel. - Existencia de curvas en su interior. - Presencia de pendientes o rampas en el túnel.

Figura 7. Vista de un túnel corto con un marco o fondo oscuro. Los pasos inferiores y túneles cortos menores de 25 metros de longitud, normalmente no requieren la instalación de alumbrado diurno. Cuando la longitud del túnel corto es algo superior a 25 metros, el fondo oscuro constituido por las paredes y techo del túnel, así como por la propia calzada, puede ocultar la visión de los vehículos y, en su caso, de los peatones que lo atraviesan (véase Fig. 7), lo que impide su percepción. En este caso debe instalarse alumbrado diurno en el túnel o paso inferior.

13.3.1. Diagramas guía para túneles cortos Con la finalidad de proporcionar una guía que permita ayudar en la decisión de instalar o no alumbrado diurno en los túneles cortos y pasos inferiores, así como en su caso, optar por el tipo de alumbrado diurno a implantar, se establece una clasificación de cuatro tipo de túneles cortos para cada uno de los cuales se detalla un diagrama guía. Túneles cortos tipo A – Tabla 14. Túneles situados en entornos urbanos o periurbanos en vías de tráfico (excluidas autopistas y autovías), frecuentemente dotadas de alumbrado público y cuya velocidad de circulación está limitada entre 40 y 60 Km/h.

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

Longitud (m)

< 25

¿Salida visible?

—

Alumbrado requerido

25 a 75

75 a 125

SI

NO

No se requiere alumbrado diurno

SI

> 125 NO

Alumbrado diurno limitado

—

Alumbrado de túnel largo

Alumbrado diurno de túneles tipo A, urbanos o periurbanos cortos (excluidas autopistas y autovías), con velocidad de circulación limitada entre 40 y 60 km/h. Tabla 14 Túneles cortos tipo B – Tabla 15. Túneles interurbanos bidireccionales, considerando un volumen de tráfico denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 5.000 (IMD > 5.000).

Longitud (m)

0 a 80

¿Salida visible?

—

Velocidad ≤ 80 Km/h

—

SI

NO

SI

NO

—

—

Volúmen de tráfico

—

—

Ligero Denso

—

Ligero Denso

—

—

Alumbrado requerido

81 a 120

121 a 150

SI

NO

No se requiere alumbrado diurno

SI

Alumbrado diurno limitado

> 150

NO

Alumbrado diurno completo

—

Alumbrado de túnel largo

Alumbrado diurno de túneles tipo B, urbanos bidireccionales cortos (volumen de tráfico denso cuando IMD > 5.000). Tabla 15 Túneles cortos tipo C – Tabla 16. Túneles interurbanos unidireccionales (autopistas y autovías), estimando un volumen de tráfico denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 10.000 (IMD > 10.000).

Longitud (m)

0 a 100

100 a 150

¿Salida visible?

—

Velocidad ≤ 80 Km/h

—

SI

NO

Volúmen de tráfico

—

—

Ligero Denso

Alumbrado requerido

SI

151 a 200 NO

No se requiere alumbrado diurno

SI

SI

NO

—

Ligero Denso

Alumbrado diurno limitado

> 200

NO —

— —

—

—

Alumbrado diurno completo

Alumbrado de túnel largo

Alumbrado diurno de túneles tipo C, urbanos unidireccionales cortos de autopistas y autovías (volumen de tráfico denso cuando IMD > 10.000). Tabla 16 Túneles cortos tipo D – Tabla 17. Túneles interurbanos con tráfico de baja velocidad (límite de velocidad considerablemente menor de 80 Km/h.), y un volumen de tráfico notablemente inferior a una intensidad media diaria de 5.000 vehículos (IMD < 5.000).

Longitud (m)

0 a 100

¿Salida visible?

—

Alumbrado requerido

101 a 150 SI

151 a 200 NO

No se requiere alumbrado diurno

SI

Alumbrado diurno limitado

> 200 NO

—

Alumbrado diurno completo

Alumbrado de túnel largo

Alumbrado diurno de túneles tipo D, interurbanos cortos con tráfico de baja velocidad (menor de 80 Km/h) y volumen de tráfico inferior a a 5.000 vehículos (IMD < 5.000). Tabla 17

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

Para cada tipo de túnel corto en los diagramas guía y en su parte izquierda, se hacen constar las cuatro cuestiones siguientes: longitud, visibilidad de la salida, velocidad y volumen de tráfico. - Longitud (m): Se establecen para cada diagrama guía cuatro órdenes de longitudes de túneles cortos o pasos inferiores, expresadas en metros. - ¿Salida visible?: En cada diagrama guía se considera, cuando el conductor del vehículo que se acerca al túnel y se encuentra, como mínimo, a una distancia igual a la de seguridad (DS) antes de la entrada del mismo, si es o no visible la salida del túnel o paso inferior. - Velocidad [ 80 Km/h: En los diagramas guía 2 y 3, correspondientes a los túneles tipo B y C, se contempla si la velocidad de diseño del túnel o paso inferior es mayor o menor que 80 Km/h. La velocidad de diseño es muy importante en relación a la distancia de seguridad (DS), así como respecto al riesgo de accidentes y a la gravedad de los mismos. - Volumen de tráfico: Se tiene en cuenta en los diagramas guía 2 y 3 el volumen de tráfico, que puede clasificarse en ligero y denso. En el diagrama 2 correspondiente a túneles cortos tipo B (interurbanos bidireccionales), se valora que el volumen de tráfico es denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 5.000 (IMD > 5.000). En el diagrama 3, que hace referencia a túneles cortos tipo C (interurbanos unidireccionales de autopistas y autovías), se estima que el volumen de tráfico es denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 10.000 (IMD > 10.000). Se establecen 4 diagramas que constituyen una guía que tiene un carácter orientativo, y proporciona una ayuda para decidir si el túnel corto o paso inferior necesita o no dotarse de alumbrado diurno, y si lo precisa, se detalla que tipo de alumbrado debe adoptarse. Si, por ejemplo, se presenta el caso de un túnel corto de 120 metros de longitud, situado en una carretera interurbana con tráfico de baja velocidad (v < 60 Km/h.) y con una intensidad media diaria IMD < 3.000, y se necesita decidir si debe dotarse o no de alumbrado diurno y, en el caso de requerirlo se precisa determinar el tipo de alumbrado a instalar, la forma de operar es la siguiente: Siguiendo el diagrama guía nº 4, se sitúa el túnel dentro del intervalo de longitudes que le corresponden, es decir, entre 101 y 150 metros. Se contesta la segunda cuestión ¿salida visible?. En caso afirmativo, de acuerdo con el diagrama 4, no se requiere alumbrado diurno. Si la respuesta es negativa, debido a la existencia de curvas o pendientes en el interior del túnel, se instala alumbrado diurno limitado. En el supuesto del mismo túnel corto pero con una longitud de 170 metros, de conformidad con el diagrama 4, las dos únicas alternativas en el caso de que la salida del túnel sea o no visible, son respectivamente la instalación de alumbrado diurno limitado o diurno completo. Los diagramas constituyen una guía práctica que, en cada caso concreto, deberá ser adaptada al tipo de carretera teniendo en cuenta: - La configuración real del túnel y de su carretera de acceso y salida. - El volumen y la composición de tráfico bien motorizado o mixto que incluye vehículos pesados y ligeros, ciclistas, peatones, etc. Además de considerar a título orientativo los diagramas guía, para el diseño, funcionamiento y mantenimiento del alumbrado de túneles cortos y pasos inferiores, se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones técnicas y económicas: - Efectuar un análisis cuidadoso del riesgo de accidentes y de la seguridad en relación a la iluminación (calidad y cantidad). - Estudiar la señalización conveniente frente a la entrada del túnel, especialmente en lo relativo a la velocidad límite, encendido de los faros de los vehículos, etc.

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253

Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

- Realizar un examen meticuloso de los costes de instalación y explotación anual del alumbrado, incluidos los costes de funcionamiento, mantenimiento y trabajos de reparación en relación a la seguridad y comodidad proporcionada por dicha instalación (binomio coste/beneficio).

13.3.2. Tipos de alumbrado en túneles cortos Tal y como se ha establecido en los cuatro diagramas guía, además de alumbrado de noche, las situaciones que se pueden presentar para el alumbrado diurno en túneles cortos son las siguientes: - Sin exigencia de alumbrado. - Alumbrado diurno limitado. - Alumbrado diurno completo. 13.3.2.1. Sin exigencia de alumbrado diurno Cuando las exigencias de alumbrado para túneles cortos no son importantes y, por tanto, no se requiere alumbrado diurno. 13.3.2.2. Alumbrado diurno limitado Se denomina así dado que está en funcionamiento solamente durante una parte del tiempo, es decir, únicamente se encuentra en servicio el alumbrado diurno durante periodos en los que la penetración de la luz solar diurna no proporciona un fondo de luminancia suficientemente elevada, para permitir que actúe el efecto silueta. Tales condiciones pueden plantearse después del crepúsculo, antes del amanecer y en días nublados. En el alumbrado diurno limitado, la luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación será 3 veces la luminancia de la zona del interior del túnel (3.Lin), de acuerdo con lo establecido en la Tabla 11, ó de 15 cd/m2, debiéndose adoptar la mayor cifra de las dos. Por la mañana, el alumbrado diurno limitado deberá encenderse media hora después de la salida del Sol y apagarse cuando la luminancia en la zona de acceso L20 sobrepase las 150 cd/m2 (L20 > 150 cd/m2). Por la tarde, se encenderá cuando la luminancia en al zona de acceso L20 descienda por debajo de 150 cd/m2 (L20 < 150 cd/m2) y se efectuará el apagado media hora antes de la puesta de Sol. 13.3.2.3. Alumbrado diurno completo El alumbrado diurno completo es el que está en funcionamiento durante el periodo diurno total. Básicamente los túneles cortos que se asemejan a túneles largos deben ser iluminados como éstos últimos. En consecuencia, el alumbrado diurno completo será constante a lo largo de toda la longitud del túnel, con los niveles de luminancia requeridos en la zona de umbral de los túneles largos, deducidos del factor k establecido en la Tabla 10, de conformidad con la clase de alumbrado que le corresponda (Tabla 7). 13.3.2.4. Alumbrado de noche Para túneles cortos o pasos inferiores, mayores de 25 m., en los que las carreteras de aproximación están iluminadas, se requiere la instalación de alumbrado nocturno. El nivel de luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación será, al menos igual, pero no mayor de 2 veces la luminancia de la carretera de aproximación.

13.4. Alumbrado de emergencia En este punto la norma establece que cuando el túnel sufra un fallo de alimentación de corriente se debe disponer de un sistema de alimentación de emergencia y un sistema de alumbrado de emergencia. El alumbrado de emergencia debe cubrir la longitud total del túnel y el nivel de luminancia de ser al menos del 10% de la luminancia interior ó 0,2 cd/m2 (se elige el mayor). En los túneles de clase de iluminación de 3 ÷ 7, se requiere un sistema de alumbrado para el guiado de emergencia contra incendio

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

(se precisa siempre que desde cualquier posición no es visible al menos una salida). La situación de estas luminarias será en la pared a una altura de 0,50 m de la calzada y con una separación inferior a 50 m.

13.5. Mantenimiento El factor de mantenimiento utilizado en los estudios de iluminación cubren normalmente la depreciación de luminaria (ensuciamiento) y lámpara (pérdida de flujo luminoso). En el caso de los túneles que son instalaciones con un alto grado de polución atmosférica, es muy importante disponer de un programa de mantenimiento (limpieza de paredes y luminarias) que defina los ciclos de limpieza que permitan cumplir el factor establecido en el estudio. La norma recomienda utilizar un factor de mantenimiento de 0,7 para definir el valor del nivel medio de luminancia de calzada y 0,5 para el de las paredes. La reposición de lámparas se realizará cuando el nivel medio esté por debajo del establecido o la falta de uniformidad resulte inaceptable.

13.6. Control de encendidos En este tipo de instalaciones es importante disponer de un sistema de control automático, teniendo en cuenta que los niveles de la zona umbral y transición están establecidos en función de la luminancia de la zona de acceso. Cuando varían las condiciones externas (diurnas) es preciso modificar los niveles de estas zonas para mantener la calidad de los criterios de diseño utilizados en este estudio de iluminación.

13.7. Alumbrado noche (zona exterior túnel) La zona de salida del túnel la calzada exterior debe estar iluminada en una longitud igual a dos veces la distancia de parada (no mayor a 200 m.), con un nivel medio superior a 1/3 de la zona de salida del túnel. En el túnel que nos ocupa para que el diseño sea un poco más conservativo, las zonas de acceso al túnel se extenderán de 200 a 250 m. En la instalación que nos ocupa se instalan en la zona de acceso luminarias con lámpara de 250W sodio alta presión tubular, en postes de 12 m. de altura en disposición unilateral a una interdistancia entre luminarias de 30 m. Cuando en las zonas de entrada o salida del túnel existan pantallas solares el nivel de iluminación será igual al de la zona interior del túnel.

13.8. Diseño del alumbrado de túneles Respecto a las tablas guía para túneles cortos especificados en el apartado 13.3., de este capítulo, constituyen solamente una guía que deberá ser adaptada al tipo concreto de túnel y carretera de acceso y salida. Los pasos inferiores bajo carreteras o ferrocarriles, menores de 25 m. de longitud, constituyen los tramos mínimos de carretera cubierta que se presentan habitualmente. Dada la pequeña longitud, normalmente no es necesaria la instalación de alumbrado durante el día. Al objeto de facilitar la entrada de la luz solar diurna en el interior del túnel corto o paso inferior, resulta conveniente llevar a cabo, cuando sea posible, las siguientes medidas: - Construir la boca del túnel más elevada. - Revestimiento de color blanco (recubrimiento especular) en las paredes del túnel. - Instalar claraboyas en el techo del túnel.

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

TÚNELES CORTOS TIPOS DE

TIPO A

TIPO B

TIPO C

TIPO D

TÚNELES

DIAGRAMA-1

DIAGRAMA-2

DIAGRAMA-3

DIAGRAMA-4

< 25 25 a 75 75 a 125 > 125

< 80 80 a 120 120 a 150 > 150

< 100 100 a 150 150 a 200 > 200

< 100 100 a 150 150 a 200 > 200

SI

SI

SI

SI

NO

NO

NO

NO

SI

SI

Longitud

¿Salida visible? Velocidad < 80 km/h Volúmen tráfico

NO

NO

LIGERO

LIGERO

DENSO

DENSO

* En los túneles tipo B el volúmen de tráfico es denso cuando IMD > 5.000. ** En los túneles tipo C el volúmen de tráfico es denso cuando IMD > 10.000.

Tabla 18 Si está previsto alumbrado en la carretera, éste se implantará de forma que se asegure una penetración adecuada de la iluminación dentro del túnel corto o paso inferior. El contenido de los diagramas guía para túneles cortos y pasos inferiores detallados en el apartado 13.3. se resumen en la tabla anterior. Es importante una elevada reflectancia de paredes para aumentar el brillo del fondo contra el que los objetos pueden ser vistos. En los túneles cortos, donde la salida no es visible desde la distancia de seguridad (DS) enfrente de la entrada del túnel, la reflectancia de paredes es particularmente importante, debido a que una reflectancia de pared elevada asegurará que una gran proporción del alumbrado diurno que penetra por la boca de salida, se refleje hacia los conductores. Las paredes con una reflectancia difusa, en servicio, de más del 40%, son denominadas como ELEVADA y las paredes de menos de del 40% de reflectancia, son denominadas como BAJA (debe tenerse en cuenta el factor de depreciación o mantenimiento). En cualquier túnel, las paredes deben estar cubiertas por un revestimiento blanco de hasta 2 m. de altura, con una superficie lisa y una reflectancia especular elevada en servicio o mantenida. La parte inferior hasta 0’50 m. y las aceras laterales, pueden ser ennegrecidas o pintadas de color negro, fundamentalmente cuando el revestimiento de la calzada es claro o blanco, debido a las necesidades de conducción de los vehículos con un buen contraste mantenido, a fin de mejorar la percepción total. Cuando la reflectancia de las paredes se califica como BAJA, la longitud señalada en cada uno de los 4 diagramas guía debe ser reducida en un 20%. El grado de penetración de luz diurna en la salida también es importante. Así, un túnel con una gran sección transversal, por ejemplo, de tres carriles o más de anchura, y una salida en terreno plano o con pendiente descendente y mirando al sur, admitirá un máximo de luz diurna y contribuirá considerablemente a la visibilidad en el túnel. Por otro lado, la penetración de la luz diurna puede ser pobre cuando el túnel sea de dos carriles o menos, en el caso de que la salida esté situada en un corte o se encuentre rodeada por edificios altos, así como cuando la carretera tenga pendiente ascendente desde la salida o en el supuesto de que la salida mire al norte. La importancia de la penetración de la luz diurna en la salida disminuye con la longitud del túnel. Cuando la penetración de la luz diurna es BUENA, la longitud indicada en cada uno de los 4 diagramas guía debe ser incrementada hasta en un 20%. En lo que se refiere a la geometría del túnel y sus carreteras de acceso, el diseño del alumbrado del túnel debe seguir el recorrido más conservador en cada diagrama guía. Lo mismo debe hacerse: - Cuando el túnel presenta en primer lugar una pendiente y luego una rampa (cambios en curvatura vertical). - Cuando hay discontinuidades o singularidades geométricas. En el caso de que el túnel presente una mala percepción total, el diseño del alumbrado debe seguir un trayecto conservador en cada uno de los 4 diagramas guía. Es necesario un análisis específico, cuando el transporte de mercancías peligrosas sea frecuente. En este caso, el diseño del alumbrado

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

en el túnel debe llevarse a cabo optando por la trayectoria más conservadora en cada uno de los diagramas guía.

13.9. Guiado visual Al circular por el interior del túnel el conductor de un vehículo debe poseer la información adecuada. Esto puede conseguirse dividiendo la superficie longitudinal del túnel en varias superficies de contraste, como por ejemplo dejando las paredes del túnel claras y el techo oscuro. El guiado visual resulta de especial importancia cuando se aproxima el usuario conduciendo el vehículo al túnel y, particularmente, si el nivel luminoso de la zona de entrada es bajo. En la Tabla 4 se han establecido los factores de ponderación para un guiado visual pobre o bueno.

13.9.1. Guiado visual para túneles largos En los túneles de las clases de alumbrado 2, 3, 4, 5, 6 y 7 (Tabla 7), con independencia de la señalización vertical, debe cuidarse especialmente una adecuada señalización horizontal. En la valoración de los factores de ponderación en función del guiado visual (Tabla 5), se considerará la instalación adicional de dispositivos retrorreflectantes (balizamiento, captafaros, hitos, etc.) en las paredes del túnel y en la superficie de la calzada, especialmente en el caso de túneles que correspondan a las clases de alumbrado 5, 6 y 7 (Tabla 7). 13.9.1.1. Guiado visual en la zona de entrada para túneles. Clase de alumbrado 1 En la zona de entrada de los túneles clase de alumbrado 1 (Tabla 7), deben instalarse en los primeros 75 m., como mínimo 5 luminarias cuyas intensidades luminosas hacia el conductor se ajustarán a lo dispuesto en la Tabla 19. Puede ser necesario inclinar las luminarias, al objeto de lograr las intensidades luminosas especificadas en la Tabla 19.

TABLA I INTENSIDADES LUMINOSAS EN LA ZONA DE ENTRADA DE TÚNELES CLASE DE ALUMBRADO 1 ÁNGULO TIEMPO Durante el día Durante la noche

80° < γ < 87,5°

γ = 87,5°

INTENSIDAD (cd)

INTENSIDAD (cd)

MÍN.

MÁX.

MÍN.

MÁX.

300

800

—

400

8

50

—

25

Tabla 19 Con el fin de asegurar un guiado visual adecuado, la separación entre luminarias no deberá ser mayor de 25 m. En túneles en curva siempre serán visibles como mínimo 4 luminarias, por lo que la separación entre luminarias podrá ser reducida. 13.9.1.2. Guiado visual en la zona del interior para túneles. Clase de alumbrado 1 En la zona del interior de los túneles clase de alumbrado 1 (Tabla 19), las luminarias instaladas tendrán unas intensidades luminosas hacia el conductor que cumplirán lo establecido en la Tabla 20.

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

TABLA II INTENSIDADES LUMINOSAS EN LA ZONA DEL INTERIOR DE TÚNELES CLASE DE ALUMBRADO 1 80° < γ < 87,5°

γ = 87,5°

INTENSIDAD (cd)

INTENSIDAD (cd)

ÁNGULO TIEMPO

MÍN.

MÁX.

MÍN.

MÁX.

8

50

—

25

Día y noche

Tabla 20

13.9.2. Guiado visual para túneles cortos Los túneles cortos o pasos inferiores que carecen de instalación de alumbrado, requieren una buena señalización tanto vertical como horizontal. Podrán utilizarse las siguientes disposiciones para el guiado visual: - Marcas retrorreflectantes en la calzada. - Sistema de balizamiento retrorreflectante (captafaros, hitos, etc.) en la calzada. - Marcas y balizamiento retrorreflectantes en las paredes. - Diodos fotoemisores o emisores de luz.

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Capítulo 14.

CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

14.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.2 Seguridad y niveles de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.3 Visión de contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 14.4 Sistema de zonificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.5 Criterios de elección de lámparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.6 Limitaciones del flujo hemisférico superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.7 Otras características de las luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.8 Distancias entre zonas y el punto de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 14.9 Características fotométricas de los pavimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 14.10 Variaciones temporales de los niveles de iluminación . . . . . . . . . . . . 265 14.11 Recomendaciones para reducir la contaminación lumínica . . . . . . . . . 266 14.12 Anexo: “Valores orientativos recomendables para la limitación de la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior . . 268

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Capítulo 14. CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

14.1. Generalidades Desde sus orígenes, el hombre siempre se ha preocupado por el origen y el destino de nuestro planeta así como sobre la existencia de la vida terrestre, y el estudio del firmamento siempre ha estado ligado a esta preocupación. Desde principios del siglo XX y por primera vez en la Historia, la visión nocturna de nuestro firmamento está siendo amenazada, sin apenas darnos cuenta, por la anárquica iluminación de los asentamientos urbanos. La contaminación lumínica sobre los cielos de nuestros pueblos y ciudades nos impide contemplar uno de los espectáculos más bellos. El cielo ha sido y es una inspiración para la humanidad. Sin embargo, su contemplación se hace cada vez más difícil e, incluso, para las jóvenes generaciones empieza a resultar desconocido. Es por ello que el “Comité Español de Iluminación”, mediante un informe técnico, ha desarrollado una Guía para la Reducción del Resplandor Luminoso Nocturno la cual vamos a exponer a continuación. La contaminación lumínica se define como el brillo o resplandor luminoso nocturno en el cielo, producido por la difusión y reflexión de la luz artificial en los gases y partículas en suspensión de la atmósfera. Este resplandor, generalmente producido en parte por las fuentes de luz instaladas en las zonas exteriores, hacen que se incremente el brillo del fondo natural del cielo, disminuyendo progresivamente el valor de magnitud de observación de los objetos astronómicos y perjudicando la observación. Debe distinguirse el brillo natural, atribuible a la radiación de las fuentes u objetos celestes y a la luminiscencia de las capas altas de la atmósfera, del resplandor luminoso debido a las fuentes de luz artificial instaladas en zonas exteriores. En este último caso, tienen que considerarse las emisiones directas hacia arriba de diversas fuentes de luz artificial, así como la radiación reflejada por las superficies iluminadas por dichas fuentes de luz. Con la finalidad de reducir la contaminación lumínica imputable a las fuentes de luz artificiales se deberá actuar, por una parte, sobre los propios aparatos o luminarias que emiten luz y, por otra, sobre la instalación de alumbrado implantando el número mínimo de puntos de luz que permita alcanzar los niveles luminosos requeridos sin superarlos, lo que conllevará, en el caso de alumbrado viario, a establecer determinadas recomendaciones sobre los tipos de pavimentos de las calzadas a utilizar. Asimismo, deberá tenerse en cuenta la variación temporal o disminución de los niveles luminosos a ciertas horas de la noche en las que desciende substancialmente la intensidad de tráfico, siempre y cuando quede garantizada la seguridad de los usuarios de dichas vías. Por otra parte, deben considerarse los criterios de elección de lámparas, especialmente en las proximidades de los observatorios astronómicos de categoría internacional o zona “E 1”, donde se recomienda la instalación únicamente de lámparas de vapor de sodio de alta y baja presión, implantando con preferencia estas últimas, ya que al no emitir dentro de la zona del ultravioleta (ondas de gran energía con largo alcance) no se producen interferencias con los equipos de telemetría y espectrografía de los observatorios astronómicos. Además, deben contemplarse otras alternativas para paliar la contaminación lumínica o resplandor luminoso en el cielo, en lo relativo a las iluminaciones publicitarias y ornamentales. También hay que destacar que la contaminación lumínica o brillo achacable a las fuentes de luz artificial, no obedece exclusivamente al diseño o concepción de las instalaciones de iluminación, sino que también depende de las condiciones atmosféricas (humedad, nubes, niebla, aerosoles, contaminación atmosférica, etc.). En resumen, la contaminación lumínica está determinada por dos factores principalmente: - La emisión de luz procedente de las luminarias de alumbrado público, ya sea por emisión directa (luz no controlada en el hemisferio superior de la luminaria) o por emisión indirecta (reflexión de la luz en las paredes, calzadas o superficies a iluminar). - Las fuentes de luz empleadas en el alumbrado exterior, ya que sus diferentes espectros de emisión pueden ser más o menos perjudiciales.

14.2. Seguridad y niveles de iluminación En el ámbito de la Unión Europea existe un considerable número de tráfico que circula por la noche, con una media de alrededor de un 25%. Asimismo, la proporción de accidentes mortales nocturnos oscila entre un 25% y un 59%, con una media de un 48’5%. En España, con un tráfico nocturno de vehículos de un 24’3%, el número de muertos por accidentes producidos durante la noche asciende a un 43%.

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Capítulo 14. CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

La causa principal de tasas tan elevadas de accidentes nocturnos es la propia oscuridad, ya que las capacidades visuales de los conductores (agudeza y campo visual, apreciación de distancias, visión de contraste, percepción cromática y tolerancia al deslumbramiento) son alteradas desfavorablemente debido a los bajos o nulos niveles luminosos existentes y, en consecuencia, la visibilidad queda muy reducida por la noche. Según los estudios de la C.I.E. ha quedado demostrado que el alumbrado de las vías de tráfico rodado reduce el total de accidentes en un 30% durante el periodo nocturno. La tarea visual y las necesidades de los peatones difieren de las de los conductores en muchos aspectos. La velocidad del movimiento es menor, y la percepción de los objetos que rodean a los peatones tiene más importancia que la visión de los que están más distanciados. Por tanto, los criterios de calidad del alumbrado peatonal no pueden ser iguales a los de las vías de tráfico rodado. En áreas urbanas tiene mayor significación para los peatones la percepción de su entorno inmediato, al objeto de evitar cualquier tipo de delito (robos, vandalismos, agresiones sexuales, actos de terrorismo, etc.). La decisión de si debe o no preverse alumbrado para una vía pública en una zona o lugar determinado debe tomarse sobre la base de un detallado estudio. Una vez que se haya adoptado la decisión de acometer la instalación de alumbrado, los criterios de diseño y niveles de iluminación se ajustarán, evitando su superación, a lo establecido en las siguientes publicaciones de la C.I.E.: - Publicación C.I.E. 47: 1979

Alumbrado de carreteras en condiciones mojadas.

- Publicación C.I.E. 66: 1984

Pavimentos de carreteras y alumbrado.

- Publicación C.I.E. 92: 1992

Guía para el alumbrado de áreas urbanas.

- Publicación C.I.E. 115: 1995

Recomendaciones para alumbrado de carreteras con tráfico motorizado y peatonal.

- Publicación C.I.E. 126: 1997

Guía para minimizar la luminosidad del cielo.

No obstante, podrán rebasarse los niveles luminosos establecidos en las anteriores publicaciones hasta un 20%, salvo en casos debidamente justificados en los que sería posible sobrepasar dicho porcentaje. En lo que respecta a los elementos que constituyen la instalación, cálculos luminotécnicos, mediciones, mantenimiento, etc. se estará a lo dispuesto en las publicaciones de la C.I.E. siguientes: - Publicación C.I.E. 30.2: 1982

Cálculo y mediciones de la luminancia y la iluminancia en el alumbrado de carreteras.

- Publicación C.I.E. 31: 1976

Deslumbramiento y uniformidad en las instalaciones de alumbrado de carreteras.

- Publicación C.I.E. 32/AB: 1977

Puntos especiales en alumbrado público.

- Publicación C.I.E. 33: 1977

Depreciación y mantenimiento de instalaciones de alumbrado público.

- Publicación C.I.E. 34: 1977

Luminarias para alumbrado de carreteras: datos fotométricos, clasificación y prestaciones.

- Publicación C.I.E. 121: 1996

Fotometría y goniofotometría de las luminarias.

14.3. Visión de contraste La visibilidad de un objeto situado sobre un fondo, depende de la diferencia de luminancias entre el objeto y el fondo. Un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste será positivo (valores entre 0 e infinito), en cambio un objeto más oscuro que su fondo se verá en silueta y su contraste será negativo, variando entre 0 y (–1). Por definición, el contraste se expresa de la siguiente forma:

C=

L0 – Lf Lf

Siendo: L0= Luminancia del objeto. Lf= Luminancia de fondo. El contraste C puede ser positivo o negativo: Si L0 >Lf C > 0 contraste positivo (objeto más claro que el fondo). Si L0