Ingeniería económica. Conocemos el término, y muchos de nuestros diseños de techos han sido "diseñados con ingeniería económica" a lo largo de nuestras carreras. Yo diría que en el mundo de la construcción actual, la verdadera ingeniería económica, es decir, la optimización del valor funcional, no se está realizando; más bien, el término ingeniería económica (VE) se utiliza comúnmente para referirse a la reducción de costos de instalación.
Definición
La ingeniería económica es un concepto que plantea que existen formas menos costosas de obtener un rendimiento equivalente. Esto no solo se aplica a la construcción, sino que esta práctica se utiliza en la mayoría de las cosas que se construyen, fabrican o ensamblan. Desde luego, la ingeniería económica es algo común en la industria de la construcción como método para reducir costos y acortar los plazos sin perder las características de rendimiento del componente, sistema o conjunto. Ese es el objetivo principal: que no se pierda rendimiento. ¿Pero con qué frecuencia eso sucede realmente?
La función del techo y por qué la "ingeniería económica" suele malinterpretarse
En la industria de los techos, el término "ingeniería económica" y su componente de reducción de costos suelen implicar una pérdida de rendimiento, en lugar de un rendimiento equivalente con una reducción en el costo. Demasiadas veces el contratista general solicita un cambio en parte o en la mayoría del diseño del techo para acelerar los plazos de construcción o reducir los costos generales, y el propietario, por supuesto, acepta un menor costo y un plazo más corto. La responsabilidad recae en el contratista de techado para proporcionar un método de instalación alternativo y/o un sistema completamente diferente que pueda instalarse a un menor costo. Sin embargo, este proceso —la reducción de costos y tiempo— puede implicar una reducción del rendimiento previsto a largo plazo, y esto con demasiada frecuencia se malinterpreta como "ingeniería económica".
Atributos de rendimiento previstos
La función principal de un techo es evitar la entrada de agua a un edificio, pero los techos hacen mucho más que eso. También están diseñados para proporcionar una serie de características adicionales, como:
- Eficiencia energética (reflectividad y resistencia térmica)
- Resistencia a impactos
- Resistencia al viento
- Prevención de la condensación
- Alta resistencia al calor y a los rayos UV
- Drenaje efectivo
- Resistencia al desgaste
Comencemos con un ejemplo en el que todos o gran parte de estos atributos se consideran y se diseñan en un sistema de techo, como se muestra en la Fig. 1.
Este blog, primera parte de dos, analiza las razones por las cuales un sistema de techo está diseñado con las características mencionadas arriba. La segunda parte analizará con más detalle cómo y por qué conservar mejor estas características de rendimiento previstas durante el proceso de ingeniería económica.
Eficiencia energética: reflectividad y resistencia térmica
La reflectividad de la membrana para techos y la capa de aislamiento térmico juegan un papel fundamental en la eficiencia energética de un edificio. Especialmente en edificios con una alta relación techo/muro, lo que sucede en el techo es fundamental para el uso general de energía del edificio. Dado que muchos edificios en EE. UU. tienen dos pisos o menos, los techos suelen ser la mayor parte del cerramiento del edificio, lo que significa que el techo es un componente clave para la eficiencia energética del edificio.
Los techos con alta reflectividad reducen la cantidad de calor que se transfiere al interior del edificio a través del techo. La reflectividad es, principalmente, una característica de la superficie superior del sistema de techo. Aunque las membranas blancas single-ply se usan comúnmente como techos frescos, las superficies reflectantes también pueden formar parte de membranas asfálticas.
Una membrana de techo fresco reducirá el calor absorbido por el edificio y disminuirá las cargas de los aires acondicionados, lo que reducirá la cantidad de energía necesaria para enfriar el edificio, como se demuestra en esta publicación de ASHRAE y en esta publicación de Buildings. El equipo mecánico también podría dimensionarse adecuadamente considerando una carga térmica reducida.
Para que el aislamiento del techo funcione al máximo nivel y proporcione el valor R previsto en el diseño, las capas de aislamiento deben estar adheridas entre sí y a la cubierta del techo, o bien la primera capa debe fijarse mecánicamente a la cubierta y las capas superiores, incluida la membrana, deben estar adheridas.
Durante muchos años, la industria de los techos ha recomendado el uso de múltiples capas de aislante. Además, las versiones de 2012 y 2015 del Código Internacional de Conservación de Energía (IECC) exigían que, cuando se usan múltiples capas de aislante, estas deben instalarse desfasadas y escalonadas. Sin embargo, los IECC de 2012 y 2015 no exigían múltiples capas, lo que era una deficiencia. Afortunadamente, el IECC de 2018 finalmente corrigió eso y ahora exige el uso de 2 o más capas de aislante, las cuales deben instalarse con juntas escalonadas y desfasadas. Lamentablemente, muchos proyectos aún se rigen por una versión más antigua del IECC. No obstante, es común que los techos se diseñen más allá de los requisitos mínimos del IECC, al incorporar al menos dos capas de aislante con juntas desfasadas y escalonadas para optimizar el rendimiento térmico sostenido. Las juntas escalonadas y desfasadas reducen las discontinuidades térmicas en el sistema. Y dado que los sujetadores del techo pueden afectar el rendimiento térmico de la capa de aislante, adherir todo el sistema garantiza una capa de aislante altamente eficiente en términos energéticos.
Resistencia a impactos
Una cubierta protectora adherida de cualquier tipo (por ejemplo, yeso, cementicia, poliisocianurato de alta densidad) incrementa significativamente la resistencia al impacto del techo, ya que los sujetadores y las placas quedan debajo de la cubierta protectora. Cuando los sujetadores y placas están directamente bajo la membrana y son golpeados por el granizo, es casi seguro que la membrana se vea comprometida si una piedra grande de granizo impacta directamente en uno de esos puntos. Enterrar los sujetadores debajo de una cubierta protectora elimina esta preocupación.
Sin embargo, no todas las cubiertas protectoras son térmicamente equivalentes. Una cubierta protectora de poliisocianurato de alta densidad cumple una doble función. Desde una perspectiva energética, la cubierta de poliisocianurato de alta densidad contribuye positivamente al valor R general del sistema de techo y mejora la resistencia al impacto del sistema, no solo frente al granizo y desechos provocados por tormentas, sino también frente al tráfico de mantenimiento sobre el techo.
Resistencia al viento
No solo es necesario que un techo esté bien diseñado en el campo, los perímetros y las esquinas para resistir el viento, sino que los detalles metálicos de los bordes son fundamentales para la resistencia al viento del techo. Un diseño de techos de alto rendimiento incluye sistemas de borde metálico que han sido probados por terceros para resistir cargas de viento. Los sistemas prefabricados, así como los fabricados por contratistas, pueden brindar la primera línea de defensa contra vientos fuertes en las uniones entre el techo y la pared, y en las cubiertas de muros con parapeto. Las cargas de viento más altas se producen en los perímetros y las esquinas, por lo que una configuración robusta de borde metálico con ganchos bien sujetos y resistentes proporcionará resistencia al viento a largo plazo.
Prevención de la condensación
La condensación, o el agua líquida, puede afectar negativamente el edificio de muchas maneras. Puede provocar la pérdida del valor R de la capa de aislante al reemplazar el aire dentro del aislante por agua, así como una degradación prematura de cualquiera de los componentes del sistema de techo, como madera podrida o metal oxidado (incluidos los componentes estructurales). También puede contribuir al crecimiento biológico. Este fue otro factor considerado intencionalmente en el diseño del sistema de techo que se muestra en la Figura 1.
El Código Internacional de Conservación de Energía (IECC) de 2012 fue la primera versión del IECC que exigió que todos los edificios nuevos incluyeran una barrera de aire (las versiones de 2015 y 2018 del IECC también lo exigen). Sin embargo, el IECC permite que la membrana para techos actúe como barrera de aire, pero eso no impide el flujo de aire desde el interior del edificio hacia el sistema de techo. Este movimiento de aire se denomina "intrusión de aire", y cuando el aire del interior de un edificio se mueve hacia el sistema de techo, lleva humedad consigo. Ver Figura 2.
Debido a esta posible intrusión de aire y humedad, un diseño de techo de alto rendimiento incluye una barrera de aire a nivel de la plataforma base para evitar que el aire interior entre en el sistema de techo. Esto reduce considerablemente la posibilidad de condensación dentro del sistema de techo; y como la barrera de aire se encuentra a nivel de la plataforma base, es más fácil conectarla con la barrera de aire de la pared.
El diseño del techo también incluye una membrana adherida, con lo cual se elimina el efecto de abultamiento o aleteo de una membrana single-ply sujetada mecánicamente. El abultamiento puede no ser estéticamente deseable y podría afectar tuberías, líneas de condensado o sistemas de protección contra rayos instalados en el techo. Más importante aún, el abultamiento puede agravar el riesgo de condensación, ya que cada abultamiento introduce aire interior en el sistema de techo. Cuando el aire cálido y húmedo del interior alcanza la parte inferior de la membrana, se condensará si alcanza la temperatura del punto de rocío. Una membrana adherida contribuye a minimizar tanto la infiltración de aire como la posible condensación, lo cual favorece un entorno más seco dentro del sistema y, en consecuencia, una mayor vida útil del techo.
El uso de una barrera de aire específica a nivel de la cubierta del techo es otra estrategia que se utiliza para reducir el riesgo de condensación. La barrera de aire (que también puede actuar como barrera de vapor, si es necesario) puede evitar que el vapor de agua llegue a zonas del sistema de techo donde podría condensarse.
Alta resistencia al calor y a los rayos UV
No todas las membranas son iguales. Algunas membranas de TPO están formuladas específicamente para brindar mayor resistencia al calor y a la radiación UV que los productos convencionales. Las membranas que resisten mejor la degradación por calor y rayos UV que otras membranas, previsiblemente, durarán más que los productos convencionales disponibles. Un sistema de techo bien diseñado que incluye una membrana más resistente al calor puede ofrecer una vida útil más prolongada.
Drenaje efectivo
Los techos no están diseñados para retener agua; lo ideal es conducirla de manera eficiente y rápida hacia elementos de drenaje como desagües interiores, salidas de agua o canaletas. El drenaje efectivo en la mayoría de los techos suele lograrse mediante el uso de aislante biselado sobre una plataforma base estructural sin pendiente. El aislante biselado se utiliza junto con deflectores y elevaciones para evitar el encharcamiento localizado. Los deflectores en pendiente ayudan a desviar el agua de lluvia alrededor de los equipos sobre el techo, y los alzamientos en pendiente dirigen el agua hacia los drenajes interiores y las salidas de agua, evitando acumulaciones en zonas planas. La pendiente hacia el drenaje también puede lograrse inclinando la estructura. Inclinar la estructura funciona bien si hay una pendiente unidireccional en todo el techo con drenaje en el extremo más bajo.
Resistencia al desgaste
Lo ideal sería que los techos no recibieran tránsito de ocupantes del edificio ni de trabajadores de mantenimiento, ¡pero sabemos que eso no siempre es posible! Los diseños de sistemas de techo duraderos y resistentes incluyen planchuelas para pasillos y/o membranas más gruesas para proporcionar mayor resistencia con el tiempo. Las planchuelas para pasillos instaladas alrededor de unidades mecánicas, paneles solares y en lugares donde se espera que el techo se utilice como plataforma de trabajo (por ejemplo, contrapesos de andamios colgantes) son una solución eficaz para evitar el desgaste y la degradación de la membrana para techos.
Y el diseño del techo es…
Teniendo en cuenta todos estos atributos, el sistema de techo diseñado contribuye al rendimiento energético y la durabilidad a largo plazo. Específicamente, el sistema de techo incluye:
- Membrana para techos reflectante adherida con alta resistencia al calor
- Cubierta protectora de poliisocianurato de alta densidad adherida
- Más de 2 capas de aislante adherido, escalonadas y desfasadas, con aislante biselado, deflectores y refuerzos inclinados.
- Barrera de aire (sobre un tablero de sustrato) a nivel de la plataforma base
- Detalles de borde metálico probados por terceros
- Planchuelas para pasillo y una membrana más gruesa
Quiénes intervienen en esta historia
¿Quiénes son realmente los socios en un proyecto de techado? El propietario, el arquitecto, el fabricante, el consultor de cerramientos, el contratista general y el contratista de techado. Cada uno de los socios en un proyecto de techado tiene una perspectiva distinta y, a menudo, intereses en conflicto. En este escenario, el diseñador aboga por un sistema de techo de alto rendimiento. El contratista general presiona para acortar el cronograma y reducir costos. El propietario queda atrapado en el medio y busca un desempeño duradero al menor precio posible.
Elementos comunes de la ingeniería económica (VE)
El techo de alto rendimiento fue diseñado, se licitó, se recibieron ofertas y se seleccionó un contratista en función de esos precios. Y aquí es donde entra la ingeniería económica. Una de las partes involucradas en las fases de construcción posterior a la licitación determina que existe una forma más rápida y/o económica de instalar un techo que aún cumpla con los requisitos del código de construcción. Pero aquí está el problema: ese sistema de techo de alto rendimiento fue diseñado más allá del código para brindar eficiencia energética, durabilidad y desempeño según los requisitos del diseño del edificio… durante los próximos 20 a 30 años. Y ahora, debido a la "ingeniería económica", muchos de los atributos de desempeño del sistema de techo —a menudo la parte más grande del cerramiento del edificio— se reducen o eliminan por completo. Pero eso no es ingeniería económica: es reducción de costos, sin importar el término que se utilice.
Algunas estrategias comunes de reducción de costos que también disminuyen el rendimiento del sistema de techo y que deben evitarse incluyen:
- Eliminar la barrera de vapor
- Eliminar el adhesivo
- Reducir el espesor de la membrana
- Reducir el tipo de membrana
- Eliminar la cubierta protectora
- Reducir la pendiente hacia el desagüe
- Eliminar los deflectores y los refuerzos inclinados
- Reducir el nivel de seguridad de un detalle
- Reducir la resistencia al viento del borde metálico
Pero todos estos componentes fueron diseñados como parte integral del sistema de techo para proporcionar atributos específicos. ¿Cómo se puede contrarrestar la "ingeniería económica" que reduce el desempeño? En la segunda parte, analizaremos posibles estrategias para enfrentar los esfuerzos de la ingeniería económica mediante el uso de la ciencia de la construcción.