¿Qué está pasando?
No, el techo no tiene sarampión, tiene un problema con los puentes térmicos en los sujetadores que mantienen todos los componentes en su lugar, y es un problema que no se puede ignorar.
A medida que la construcción de edificios evoluciona, uno pensaría que estas pequeñas interrupciones en las capas aislantes del armado, conocidas como puentes térmicos puntuales, importarían cada vez menos. Sin embargo, ¡en la realidad ocurre lo contrario! Cuanto más hermético y mejor aislado sea un edificio, mayor es la diferencia que marcan todos los puntos débiles en su envolvente térmica. Existe una variedad de códigos y normas que están comenzando a abordar este problema, aunque es importante señalar que a menudo existe un desfasaje entre el desarrollo de los códigos y su adopción generalizada.
¿Qué está haciendo la industria al respecto?
Con una larga trayectoria que apoya los cerramientos de alto desempeño para edificios, Phius (Passive House Institute US) ofrece una Calculadora de corrección de sujetadores junto con una herramienta para calcular el efecto de los puentes térmicos lineales (como ángulos de soporte, dinteles, entre otros). En cambio, el Código Internacional de Conservación de Energía 2021 también aborda los puentes térmicos, pero solo considera los materiales estructurales como puentes térmicos e, incluso, ignora deliberadamente los efectos de cargas puntuales como los sujetadores en su definición de aislamiento continuo: "material aislante que es continuo a través de todos los elementos estructurales sin puentes térmicos, excepto los sujetadores y las aberturas para servicios" (Sección C202). De manera similar, El Código Nacional de Energía de Canadá para Edificios: 2020 aborda los puentes térmicos de varios componentes de un edificio, pero también excluye explícitamente los sujetadores: "al calcular la transmitancia térmica global de los armados (…), no es necesario tener en cuenta los sujetadores" (Sección 3.1.1.7.3). Es cierto que los puentes térmicos puntuales se excluyen a menudo porque es difícil evaluarlos con herramientas de simulación simples.
A pesar de esto, los investigadores han sospechado durante décadas que los la construcción de puentes térmicos a través de la gran cantidad de sujetadores que se usan en techos son, de hecho, lo suficientemente significativos como para justificar su estudio. Investigadores del National Bureau of Standards, Oak Ridge National Laboratory, el National Research Council Canada y las firmas de consultoría Morrison Hershfield y Simpson Gumpertz & Heger (SGH) han realizado estudios de laboratorio y simulaciones por computadora para analizar los efectos de los puentes térmicos puntuales.
¿Por qué prestar atención ahora?
El problema se ha agravado en los últimos años debido a que los cambios en las velocidades del viento, las presiones de diseño del viento y las zonas del techo, dictados por ASCE 7-16 y 7-22 (consultar los blogs de Jim Kirby y Kristin Westover para más información), implican que los patrones de sujetadores son más densos en muchos casos. Esto significa que, en promedio, hay más metal por pie cuadrado de techo que nunca antes. Más metal significa que se escapa más calor del edificio en invierno y entra más calor en verano. Al hacer que nuestros edificios sean más resistentes a la succión del viento para cumplir con las normas actualizadas, los volvemos, de hecho, menos resistentes a los efectos negativos de las condiciones climáticas cálidas y frías.
Entonces, ¿qué tan grave es este problema y qué puede hacer un diseñador de techos al respecto? Un equipo de investigadores de SGH, Virginia Tech y GAF se propuso determinar la respuesta, empezando por simplificar el problema. Nuestro plan era desarrollar simulaciones por computadora para anticipar con precisión los efectos de los puentes térmicos causados por sujetadores, basándonos en sus características y en las de los armados de techos en los que se usan. En otras palabras, desglosamos el problema en partes para poder saber cómo afecta cada una al problema en su conjunto. También queríamos verificar cuidadosamente los supuestos subyacentes a nuestra simulación por computadora y asegurarnos de que nuestros resultados coincidieran con lo que descubríamos en el laboratorio. El artículo completo que describe nuestro trabajo se presentó en la Convención y Feria Comercial del IIBEC 2023, pero aquí están los puntos clave, comenzando con cómo configuramos el estudio.
Primero, comenzamos con un tablero de poliisocianurato (ISO) simple de 4" y lo denominamos Caso A-I.
Luego, añadimos un tablero para cubierta de poliisocianurato de alta densidad (HD ISO) y lo llamamos Caso A-II.
En tercer lugar, agregamos una plataforma base de acero galvanizado al poliisocianurato de 4" y lo llamamos Caso A-III.
Finalmente, creamos todo el conjunto: HD ISO e ISO sobre plataforma base de acero, que constituyó el Caso A-IV.
Cabe señalar que no incluimos membrana de techo, tablero de sustrato, barrera de aire ni barrera de vapor en estos armados; en parte para simplificar, y en parte porque estos componentes no agregan normalmente mucho valor aislante a un armado de techo.
Estos casos pueden considerarse casos base, ya que aún no contienen un sujetador. Necesitábamos simular y probar físicamente estos casos para poder comprender el efecto que tienen los sujetadores al añadirse.
También ejecutamos un conjunto de muestras, de B-I a B-IV, que se correspondían con los casos A-I a A-IV mencionados anteriormente, pero con un sujetador #12, de 6" de largo, en el centro del armado de 2' x 2', con una placa aislante de 3" de diámetro. Dichas muestras se describen a continuación. El sujetador atravesaba el ISO y la plataforma base de acero, pero no el HD ISO.
Aquí se muestra una visualización de la simulación por computadora, para el Caso B-IV. Las franjas de color, o isotermas, muestran la vulnerabilidad del armado en la ubicación del sujetador.
¿Qué descubrimos? Los resultados podrían sorprenderte.
Primero, no sorprende que el sujetador redujera el valor R de la muestra de ISO de 2' x 2' en un 4.2 % en la muestra física, y un 3.4 % en la simulación por computadora (Caso B-I en comparación con el Caso A-I).
Cuando se añadió el HD ISO (Casos II), el valor R cayó un 2.2 % y un 2.7 % en el experimento físico y la simulación por computadora, respectivamente, al añadirse el sujetador. En otras palabras, añadir el sujetador aún provocó una caída en el valor R, pero esa caída fue considerablemente menor que cuando no se utilizó placa de cobertura. Esto confirmó lo que sospechábamos: que el HD ISO tenía un importante efecto protector contra el puente térmico causado por el sujetador.
Luego, descubrimos que la plataforma base de acero también hacía una gran diferencia. En el experimento físico, el aire contenido en las nervaduras de la plataforma base de acero añadía al valor R del armado, mientras que la simulación por computadora no consideraba dicho efecto. Ese es un punto que debe abordarse en la próxima fase de la investigación. A pesar de esta anomalía, ambos enfoques mostraron lo mismo: la plataforma base de acero actúa como un radiador, lo que intensifica el efecto del sujetador. En los armados con solo ISO y plataforma base de acero (Casos III), añadir un sujetador resultó en una caída del valor R del 11.0 % en el experimento físico, y del 4.6 % en la simulación por computadora, en comparación con el armado sin sujetador.
Finalmente, los armados con todos los componentes (HD ISO, ISO y plataforma base de acero, es decir, Casos IV) mostraron nuevamente que el HD ISO aislaba el sujetador y reducía su impacto negativo en el valor R del armado general. El experimento físico mostró una disminución del 6.1 % (comparado con una disminución del 11 % sin tablero para cubierta) y la simulación por computadora, una disminución de 4.2 % (frente al 4.6 % sin tablero para cubierta) en el valor R al añadirse el sujetador.
¿Qué indica este estudio?
Las enseñanzas del estudio que acabamos de describir son las siguientes:
Los sujetadores de techos tienen un impacto medible en el valor R del aislante para techos.
Las placas de cobertura de poliisocianurato de alta densidad ayudan considerablemente a minimizar los impactos térmicos de los sujetadores de techos.
La plataforma base de acero, debido a su alta conductividad, actúa como un radiador, amplificando el efecto de puente térmico de los sujetadores.
¿Qué deberíamos hacer al respecto?
Para determinar qué medidas tomar, este estudio y otros similares deben extenderse al mundo real, lo cual implica hacer suposiciones sobre parámetros como la ubicación del edificio, la densidad de sujetadores requerida en el techo y el tipo de armado del techo.
Varios grupos han dado este salto, al pasar de observar puentes térmicos puntuales a analizar lo que significan para el rendimiento general de un techo. El siguiente ejemplo fue abordado en un artículo de Taylor, Willits, Hartwig y Kirby, presentado en el Simposio de Tecnología de Envolventes de Edificios de RCI, Inc. en 2018. En ese artículo, los autores ampliaron los resultados de simulaciones por computadora de un artículo de 2015 de Olson, Saldanha y Hsu para un conjunto de escenarios reales de techos. Descubrieron que el método de instalación tiene un gran impacto en el valor R en servicio del techo.
Supusieron un techo de 15,000 pies cuadrados, con patrones y densidades de sujetadores basados en un requisito de resistencia al viento de 120 libras por pie cuadrado, y un valor R de diseño de R-30. En este ejemplo, un techo tradicional fijado mecánicamente tuvo un valor R en servicio de solo R-25, lo que representa una pérdida del 17 % en comparación con el valor R de diseño.
Un techo con soldadura por inducción mostró una ligera mejora sobre el armado fijado mecánicamente, con un valor en servicio de solo R-26.5 (una pérdida del 12 % en comparación con el valor R de diseño).
Adherir, en lugar de fijar, la capa superior de poliisocianurato resultó en un valor R en servicio de R-28.7 (una pérdida del 4 % en comparación con el valor R de diseño).
Finalmente, en su estudio, se utilizó un tablero de poliisocianurato de alta densidad (HD) como base fijada mecánicamente sobre la plataforma base de acero, lo que permitió adherir tanto las dos capas continuas de aislante de poliisocianurato como la membrana para techos. Hacer esto resultó en un valor R en servicio de R-29.5, lo que representa solo una pérdida del 1.5 % en comparación con el valor R de diseño.
Para aplicar estas conclusiones en tus propios proyectos de diseño de techos, ten en cuenta los siguientes enfoques:
Considera eliminar los sujetadores del techo por completo, o bien colocarlos por debajo de una o más capas de aislante. Varios estudios han demostrado que colocar las cabezas y placas de los sujetadores debajo de un tablero para cubierta, o mejor aún, debajo de una o dos capas de aislante escalonado, como el aislante de poliisocianurato EnergyGuard™ de GAF, puede atenuar los efectos de puente térmico de los sujetadores. Adherir todas o algunas de las capas de un armado de techo minimiza los resultados térmicos no deseados.
Considera usar una cubierta aislante, como el tablero para cubierta de poliisocianurato EnergyGuard™ HD o EnergyGuard™ HD Plus de GAF. Instalar un tablero para cubierta adherente es, en general, una buena práctica de techado por muchas razones: proporciona mayor durabilidad y desempeño del sistema al proteger las membranas del techo y el aislante contra daños por granizo; permite mayor resistencia al levantamiento por viento y mejora la estética; y ofrece valor R adicional y mitiga los puentes térmicos, como se muestra en nuestro estudio reciente.
Considera usar un sistema soldado por inducción que minimice la cantidad total de sujetadores en el techo mediante un espaciado uniforme de los sujetadores para aislante. Las placas especiales de estos sujetadores se sueldan luego a la parte inferior de la membrana para techos mediante una herramienta de calor por inducción. Este proceso elimina la necesidad de sujetadores adicionales para la membrana.
Considera aumentar el valor R del aislante para techos. Si los sujetadores reducen el rendimiento térmico real del aislante para techos, los propietarios de edificios no obtienen el beneficio del valor R de diseño. Se puede especificar aislante adicional más allá del mínimo requerido por el código para compensar la diferencia.
¿Qué sigue a partir de ahora?
Aún queda trabajo por hacer antes de tener una simulación por computadora que se alinee más estrechamente con experimentos físicos sobre ensamblajes idénticos. Sin embargo, los dos métodos de nuestro estudio reciente coincidieron en un rango del 0.8 al 6.7 %, lo que indica que estamos avanzando. Con métodos de modelado cada vez mejores, los diseñadores pronto deberían poder predecir el impacto de los sujetadores en lugar de ignorarlo y cruzar los dedos.
Una vez que, como industria de los techos, tengamos estas herramientas detalladas de simulación por computadora disponibles, podremos incluir los hallazgos en códigos y normas. Estas herramientas pueden ser utilizadas por quienes no cuentan con el tiempo o los recursos para modelar armados de techos en un laboratorio o con software de modelado sofisticado. Con recursos fáciles de usar que cuantifiquen el puente térmico a través de los sujetadores del techo, los diseñadores ya no pondrán a los propietarios de edificios en riesgo de desperdiciar energía o, peor aún, de enfrentar problemas de condensación debido a techos con aislamiento insuficiente. Los diseñadores tendrán una imagen mucho más clara de lo que realmente obtiene el propietario del edificio cuando especifican un techo que incluye sujetadores, y cuáles de las medidas detalladas anteriormente podrían considerar para evitar consecuencias negativas.
La investigación analizada en este blog fue realizada con una beca de la Fundación RCI-IIBEC y se presentó en la Convención y Exposición Comercial Anual de IIBEC de 2023 en Houston, el 6 de marzo. Contacta a IIBEC a través de https://iibec.org/ o a GAF a través de BuildingScience@GAF.com para más información.
