Diseñar con poliisocianurato

El aislante térmico es una parte importante de los sistemas de techos comerciales. Como con todo, existen diferentes formas de diseñar e instalar un aislante de poliisocianurato: una forma mejor, una óptima y muchas variaciones intermedias. Lo que puede ser lo mejor en cuanto a costos iniciales más bajos, solo puede demostrar ser bueno o malo durante la larga duración de la construcción.

Tal como se analiza más adelante, entre los puntos importantes que deben destacarse sobre el poliisocianurato y su uso, se incluyen los siguientes:

• Debido a la muy baja permeabilidad del aire del poliisocianurato, con buenas prácticas de diseño e instalación se obtienen bajos riesgos de condensación, incluso en edificios con niveles de humedad más altos que los normales.
• Los diseñadores de edificios pueden utilizar el valor R especificado, que se declara a una temperatura media de 75 °F, para proyectos en la mayoría de las zonas climáticas de conformidad con la ASHRAE. Sin embargo, para las zonas climáticas 6 y 7, puede que sea apropiado utilizar los valores publicados a 40 °F.
• La electricidad es cuatro veces más costosa que el gas, en función de BTU equivalentes. Por ende, el mayor valor del poliisocianurato se observa durante los meses de verano, con los picos de uso del aire acondicionado.

Introducción

El poliisocianurato se ha convertido en el aislante más elegido en techos comerciales, con una participación en el mercado de alrededor del 75 %. Entre los motivos, se incluyen los siguientes:

• Costo más bajo por valor R.
• Alto valor R por pulgada. Esto significa que no requiere tanto grosor como otros tipos de aislante rígido para lograr el mismo rendimiento de aislación.
• Buena resistencia al fuego. A diferencia de las espumas de poliestireno, es termoestable, por lo que no se derrite durante un incendio. El derretimiento de espumas termoplásticas y la subsiguiente filtración del material derretido, a través de la plataforma base, hacia el edificio, puede ser peligroso para los ocupantes y bomberos.
• Compatibilidad con solventes. Los adhesivos que se utilizan en los sistemas adheridos no afectan de manera negativa al poliisocianurato. No ocurre lo mismo con las espumas de poliestireno.
• Menor condensación. Cuando se instala correctamente en un sistema diseñado de forma adecuada, el poliisocianurato ayuda a impedir que el aire del interior llegue a la parte inferior de la membrana, por lo que se reduce el riesgo de condensación.

Sin embargo, solo porque se especifique y utilice poliisocianurato no significa que se logre el resultado ideal. Existen detalles de instalación que deben considerarse.

La membrana de una sola capa, combinada con poliisocianurato, puede crear un buen techo, pero existen otro factores que pueden mejorar el rendimiento:

Aspectos básicos

Los tableros de poliisocianurato tienen bordes rectos (los tableros no son machihembrados). Estas juntas planas entre los tableros pueden permitir el movimiento de aire vertical.

A menudo, el poliisocianurato se instalaba como una única capa:

Como se muestra en la figura anterior, por lo general, colocar una única capa de aislante con juntas planas es una mala idea, que ya no está permitida según la versión 2018 del Código Internacional de Construcción (IBC) y versiones posteriores. Para los techos con una única capa de tableros de aislante con juntas planas:

1. Existe una baja restricción para el caudal de aire y, por lo tanto, la fuerza de los vientos durante fuertes tormentas generan movimientos ondulantes en las membranas de los sistemas acoplados.
2. La ondulación de la membrana atrae el aire acondicionado interior hacia arriba, hacia la parte inferior de la membrana, y puede generar un riesgo de condensación dentro del sistema.
3. La ondulación puede ejercer más tensión sobre los sujetadores de la membrana, un factor reconocido por los fabricantes de membranas por la emisión de garantías más breves para membranas de acoplamiento mecánico en comparación con membranas adheridas.
4. El caudal de aire esencialmente sin restricciones que fluye hacia el sistema disminuye el valor de aislación y reduce la eficiencia energética.

En contraste, dos capas de poliisocianurato restringen el caudal de aire libre que circula hacia el sistema del techo. Debe tenerse cuidado al sellar entre penetraciones de techos y el poliisocianurato, o el aire podría seguir circulando hacia arriba, hacia el sistema, como se muestra aquí:

La espuma en aerosol es una buena opción para lograr un sello entre el poliisocianurato y las penetraciones.

Dos capas de poliisocianurato con juntas alternadas y penetraciones selladas componen un buen sistema, pero dos de sus características siguen reduciendo su eficacia de aislamiento. Estas se muestran en la siguiente vista ampliada de la sección transversal de un sistema de techo.

Esta sección transversal ilustra la menor eficiencia energética, a causa de:

• El aislante y los sujetadores de membrana actúan como puentes térmicos que conducen el calor por el sistema.
• Las brechas entre los tableros de aislante permiten la convección térmica.
• Cuando tanto el aislante como la membrana están acoplados y las densidades de los sujetadores son las más altas, se predicen reducciones del valor R de hasta un 29 %.

Adhesión o acoplamiento

La alternativa al acoplamiento mecánico es adherir el aislante con un adhesivo. Por lo general, para la instalación de aislante y tablero para cubierta, se utiliza espuma de baja densidad como adhesivo. El método original de aplicación era en forma de cinta, pero para ahorrar mano de obra, a menudo se aplica rociándolo con un patrón de salpicadura, como se muestra en la siguiente imagen de una instalación típica en progreso utilizando una de las espumas de baja densidad de GAF.

Por lo general, cuando se adhiere el poliisocianurato, también se adhiere la membrana para techos. Para un sustrato de plataforma base de acero, por lo general, solo se usan sujetadores en la primera capa de aislante y, a continuación, se usa adhesivo en las capas subsiguientes de aislante y membrana. Si bien es posible realizar la adhesión directa a una plataforma base de acero y eliminar los sujetadores por completo, este método es más común con plataformas base de concreto, como se muestra en el siguiente diagrama:

Las características principales de los sistemas con aislante adherido son:

• El flujo de aire hacia arriba, hacia el sistema, es limitado, y el riesgo de condensación en climas fríos es bajo. Del mismo modo, se minimiza la ondulación de las membranas, a causa del flujo de aire restringido a través de las capas de aislante adheridas.
• La transferencia térmica se reduce al mínimo, ya que solo la primera capa de aislamiento podría fijarse de foma mecánica. Con plataformas base de concreto, la primera capa de poliisocianurato puede adherirse, por lo que se erradica el uso de sujetadores por completo.
• La resistencia a los vientos fuertes se distribuye de manera uniforme a lo largo de la cubierta del techo. Un sistema con membrana y aislante adheridos puede actuar como sistema monolítico con una excelente resistencia a los vientos fuertes.
• Cuando se combina con una membrana adherida, por lo general, la apariencia del techo acabado es bastante estético. Cuando se aplica de conformidad con las instrucciones del fabricante, la membrana puede ser muy lisa, y no hay sujetadores de aislante que sobresalgan y estropeen la apariencia.

Soldada por inducción

Los sujetadores soldados por inducción son otro tipo de acoplamiento de techo, y el tipo más grande es el sistema Drill-Tec™ RhinoBond®. Por definición, este es un método de acoplamiento mecánico, pero tiene muchas de las características de los sistemas adheridos. Esta técnica fija las membranas de TPO y PVC al sustrato subyacente utilizando una máquina de soldadura por inducción controlada por microprocesador. La membrana para techos termoplástica se suelda directamente a las placas de sujeción con un recubrimiento especial que se utiliza para acoplar el aislante. La siguiente imagen muestra un sistema de ese estilo en uso:

La máquina de inducción se coloca arriba de cada placa por turnos y se activa durante, aproximadamente, 10 segundos. Al mover la máquina a la siguiente posición, se coloca un imán con peso sobre la placa, que actúa para comprimir la membrana hacia abajo, hacia la placa de sujeción caliente, lo que genera que se suelde en el revestimiento superficial de esa placa.

Para el acoplamiento mecánico estándar de membranas de una sola capa con sujetadores a lo largo de las líneas de las uniones, los paneles de aislamiento se aseguran únicamente con cinco sujetadores por panel de 4 x 8 pies para mantenerlos planos. Al usar el sistema Drill-Tec™ RhinoBond®, la combinación de sujetadores en aislante y membrana resiste las fuerzas de vientos fuertes, como se muestra en la imagen durante una prueba de resistencia a vientos fuertes:

Esto significa que las cargas de los vientos se distribuyen de manera más uniforme en comparación con un sistema de acoplamiento convencional.

Las características clave de los sistemas de acoplamiento de membrana con soldadura por inducción son las siguientes:

• El rendimiento es muy similar a la adhesión en cuanto a la distribución de las cargas.
• En comparación con los sistemas de membranas de acoplamiento mecánico tradicional, los puentes térmicos se reducen.
• No existen restricciones de temperatura para la aplicación y, por ende, puede utilizarse este método en lugar del acoplamiento por adhesión independientemente del frío.
• Los sistemas Drill-Tec™ RhinoBond® pueden tener un costo competitivo por su velocidad de instalación, en comparación con los adhesivos tradicionales de cubeta y rodillo.

Cálculos de puntos de condensación

El punto de condensación consiste en la temperatura en la que el vapor de la humedad forma condensación. Es una función de la humedad relativa y de la temperatura ambiente. La evaluación de un sistema de techo en el que podría alcanzarse el punto de condensación es un paso importante a tener en cuanta a la hora de diseñar un techo con riesgos de condensación minimizados. Este tema se ha desarrollado con mayor profundidad en otro sitio, pero esta sección resume los pasos más importantes. Examine el siguiente el cuadro (esta es una forma simplificada del cuadro que utilizan los ingenieros de HVAC).

Al ubicar la humedad relativa del 40 % en la primera columna y continuar hacia la temperatura de 70 °F, la temperatura de bulbo seco de diseño exhibe un punto de condensación de 45 °F. Esto significa que, en un ambiente a 70 °F y con una humedad relativa (HR) del 40 %, el agua en el aire se condensará a una temperatura de 45 °F. Un sistema de techo separa el ambiente interior acondicionado del exterior, y la capa de aislante en el sistema de techo resiste la pérdida o ganancia de calor desde/hacia el exterior, según la estación. Dentro de la capa de aislante, la temperatura tiene un gradiente entre el lado caliente y frío, es decir, entre el interior y el exterior.

Para ilustrar el punto, considera un edificio en el invierno. Al igual que en el ejemplo del cuadro anterior, el interior tiene una temperatura de 70 °F y una HR del 40 %. La temperatura baja gradualmente desde la parte más interna del aislante hasta la parte más externa, que estará a la temperatura fría del exterior. El trazado de la temperatura a través del espesor del aislante se denomina gradiente de temperatura de ese sistema. En este ejemplo, si la temperatura llega al punto de condensación de 45 °F en cualquier punto en ese sistema, entonces, se prevé que el agua se condense en la superficie más cercana. Esto se ve en el siguiente diagrama:

En resumen, en este ejemplo, el aire interior tiene un 40 % del vapor de agua total que puede soportar. Sin embargo, a medida que el aire migra hacia el sistema de techo, se va enfriando hasta el punto en el que ya no puede mantener el vapor de agua y se produce la condensación. En el ejemplo que se muestra arriba, eso se produce a 45 °F solo dentro de la capa de aislante.

• Como se analizará más adelante, pueden utilizarse cálculos del punto de condensación para informar la colocación de una capa de barrera de vapor cuando se utiliza.
• Cuando no se utiliza una capa de barrera de vapor dedicada, lo más recomendable es garantizar que el punto de condensación esté en la capa superior del aislante de poliisocianurato. Esto reducirá el riesgo de migración del aire interior por el sistema de techo y de condensación sobre una superficie por debajo de su punto de condensación.

Uso de barreras de vapor con poliisocianurato

Para limitar el ingreso de humedad al sistema de techo, pueden utilizarse barreras de vapor. En determinadas circunstancias, según el uso y la ubicación del edificio, puede producirse condensación según lo analizado en la anterior sección de punto de condensación. En general, existen cuatro condiciones básicas de edificios que pueden considerarse:

1. Edificios con cantidades estándares de humedad generada por los ocupantes

Estas son las situaciones más comunes que abarcan, por ejemplo, oficinas, tiendas minoristas y depósitos. El riesgo de tener un problema de condensación es bajo, y es probable que las buenas prácticas de trabajo en techos, como sellado de penetraciones, sean suficientes.

2. Edificios con mayor cantidad de humedad generada por los ocupantes

Esta categoría incluye departamentos y otros edificios multifamiliares, papeleras, lavaderos, edificios con piscinas internas e instalaciones del estilo. De hecho, deberá evaluarse cualquier espacio que no encaje en la categoría 1 para determinar los niveles de humedad. Los sistemas de manejo y ventilación de aire del edificio deben especificarse con cuidado para considerar la carga de humedad.

3. Humedad relacionada con la construcción

La mayoría de las prácticas de construcción liberan algo de humedad en el espacio de construcción. Esto puede ser por un corto plazo relativo, como al instalar paneles de yeso y al pintar. Sin embargo, algunas prácticas pueden liberar grandes cantidades de agua en el edificio dentro de un intervalo considerable. Esto incluye pisos y cubiertas de techo de concreto vertido en el lugar.

4. Cubiertas de techo de concreto

Estas pueden representar un desafío para los diseñadores de sistemas de techos, especialmente en construcciones nuevas. Independientemente del tipo de concreto, después de la finalización del curado, permanece una cantidad significativa de agua. Lo ideal es dejar que el concreto se seque por completo; sin embargo, muchas veces no es nada práctico. Este artículo no aborda cómo lidiar con posible humedad en cubiertas de concreto, pero puede encontrarse orientación en otro sitio.

Se recomienda involucrar a un profesional de ciencias de la construcción experimentado en diseños de las categorías 2, 3 y 4 para determinar si debería usarse una barrera de vapor y de qué tipo.

Especificación de valor R

El poliisocianurato se fabrica para satisfacer la especificación estándar C1289 de la ASTM para tableros de aislante térmico de poliisocianurato celular rígido revestido. La norma ASTM C1289 especifica la resistencia térmica a una temperatura media de 75 °F para diversos espesores de productos y exige que los valores a 40 y 110 °F estén disponibles a pedido.

Las características importantes de los valores R publicados por los fabricantes son:

• Los valores son un promedio de un rango de temperaturas. Los métodos de prueba exigen que la muestra de aislante tenga un lado caliente y un lado frío con una diferencia de, al menos, 40 °F. Los laboratorios de prueba de mejor reputación usan una diferencia de 50 °F para mayor precisión. Un valor publicado a 75 °F es, en realidad, un valor R promedio del rango de entre 50 y 100 °F.
• Para tomar en cuenta la difusión de gas hacia fuera de la espuma de poliisocianurato y de aire hacia adentro de la espuma, los valores se basan en la "resistencia térmica a largo plazo" o LTTR, por sus siglas en inglés, obtenida mediante el desgaste rápido de tiras delgadas de la espuma.
• La Asociación de Fabricantes de Aislantes de Poliisocianurato o PIMA, por sus siglas en inglés, dirige un programa de certificación externa para validar de forma independiente los valores de LTTR. También se lo conoce como programa QualityMark™ de PIMA. Los valores de LTTR se consideran "valores R declarados", para el uso por parte de profesionales de diseño de edificios.
• Los valores R declarados representan un valor promedio ponderado por tiempo de 15 años. Pueden ayudar a un profesional de diseño a estimar la eficiencia energética de un edificio sin tener que preocuparse por la pérdida a largo plazo de rendimiento, ya que se tiene en cuenta en el valor.
• Los profesionales de diseño de edificios que diseñan techos para las zonas climáticas 6 y 7 de conformidad con la ASHRAE pueden necesitar usar el valor R informado para una temperatura media de 40 °F.

Patrones de acoplamiento

En en las secciones anteriores, ya se han descrito los diversos patrones de sujetadores para poliisocianurato. Sin embargo, debido al impacto de los sujetadores en los puentes térmicos y la resistencia los vientos fuertes, los puntos clave se resumen aquí.

• En los sistemas que cuentan con aislante y membrana de acoplamiento mecánico, el acoplamiento de la membrana proporciona la resistencia contra vientos fuertes. Los sujetadores de aislante de poliisocianurato están allí para mantener el aislante plano durante la instalación del techo y para brindar resistencia a largo plazo contra el movimiento lateral.
• Aquí, se muestran patrones típicos de sujetadores:

• En los sistemas con membrana de una sola capa adherida y tableros de poliisocianurato de acoplamiento mecánico, los sujetadores de aislante facilitan la resistencia contra carga de vientos fuertes. Esto es así cuando ambas capas de poliisocianurato están acopladas mecánicamente o cuando solo la capa inferior lo está (en cuyo caso, la capa superior estaría adherida).
• Los fabricantes han probado la cantidad de sujetadores por tablero necesaria para cumplir con los requisitos de resistencia al levantamiento por viento en sistemas que combinan fijación mecánica y adhesión. La cantidad de sujetadores necesarios depende del tamaño y grosor del tablero. Para los sistemas comunes, los números se muestran en la siguiente tabla:

• Para cada una de estas combinaciones, los manuales de fabricantes proporcionan patrones de sujetadores.
• La cantidad de sujetadores necesaria para estos sistemas combinados de acoplamiento mecánico y adhesión es muy grande; por ejemplo, un techo del tipo de grandes superficies, de 125,000 ft² requeriría alrededor de 50,000 sujetadores, lo que generaría una cantidad significativa de puentes térmicos.
• Al instalar sobre una plataforma base de acero, se aconseja fijar solo la primera capa de poliisocianurato y adherir las capas subsiguientes y la membrana, con el fin de reducir los puentes térmicos y minimizar el riesgo de condensación, logrando así un sistema más robusto.
• Si la primera capa de poliisocianurato se acopla y el resto del sistema se adhiere, entonces, usar un espesor de 1.5" para esa primera capa ayudará a cubrir los sujetadores que generan puentes térmicos. También se podría colocar la línea divisoria entre las primera y segunda capas de poliisocianurato por debajo del punto de condensación, lo que es altamente recomendable.

Conclusiones

1. El poliisocianurato es un aislante para techos rentable y tiene la ventaja de que su permeabilidad es baja. Con buenas prácticas de diseño e instalación, se obtienen bajos riesgos de condensación, incluso en edificios con niveles de humedad más altos que los normales.
2. Con un diseño adecuado, los componentes de acoplamiento mecánico que utilizan dos capas de poliisocianurato con juntas alternadas y desplazadas pueden ser parte de un sistema de techo exitoso.
3. Los sistemas de techo de membrana y aislante adheridos tienen ventajas como la reducción o eliminación de puentes térmicos, menor riesgo de condensación y mejor resistencia al levantamiento por viento.
4. En los casos en los que se anticipan niveles de humedad interior más altos por el uso del edificios o en los que el clima local favorece un mayor riesgo de condensación, entonces se debería consultar a un profesional de ciencias de la construcción para obtener información sobre el uso y la especificación de barreras de vapor.
5. Se aconseja a los diseñadores y especificadores de edificios que utilicen los valores R declarados para una temperatura media de 75 °F. Para los proyectos en zonas climáticas 5 y 6 de conformidad con la ASHRAE, podrían usarse valores a 40 °F según la forma del edificio y los costos de energía locales.