Ciencia de la construcción

Ingeniería económica, parte 2, rendimiento de retención

Por James R Kirby

08 de junio de 2020

A wooden scale with balancing coins and a yellow hard hat

En la primera publicación acerca de ingeniería económica en la que se abordaron los atributos de los diseños de techo de alto rendimiento, se definió ingeniería económica como "un concepto que establece que existen maneras menos costosas de lograr un rendimiento equivalente", y la descripción de los atributos de rendimiento según la publicación es que logran un sistema de techo duradero y de alto rendimiento. Estos atributos de rendimiento incluyen: imágenes

  • Eficiencia energética (reflectancia, resistencia térmica y pérdida de aire)
  • Resistencia a impactos
  • Resistencia al viento
  • Prevención de la condensación
  • Alta resistencia al calor (y a los rayos UV)
  • Drenaje efectivo
  • Resistencia al desgaste

Estos atributos de rendimiento se manifiestan en ciertos aspectos del diseño en general del sistema del techo. Qué tipo de membrana, grosor de membrana, tablero para cubierta (si se incluye) y si irá adherido o si se acoplará en forma mecánica, el diseño del aislante (incluso biselado), métodos de acoplamiento del aislante, barreras de vapor/barrera de aire, o sin estas, y el acoplamiento de la cubierta del techo son algunas de las preguntas que impulsan el rendimiento del sistema del techo.

Y el diseño del techo es…

Después de considerar todos los atributos de rendimiento anteriores, tu estrategia de diseño para un techo duradero, de alto rendimiento y resistente deberá incluir lo siguiente:

  • Membrana para techos reflectante adherida con alta resistencia al calor
  • Cubierta protectora adherida de poliisocianurato de alta densidad
  • 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


Eficiencia energética: reflectividad y resistencia térmica

El método de acoplamiento es integral para la eficiencia energética de un sistema de techo. Considera, por ejemplo, un techo que está diseñado para tener la primera capa de aislante sujeta a la plataforma base y el resto de los componentes que vayan por encima que estén adheridos. Los sujetadores, al igual que los adhesivos, tienen un costo. Una manera de aplicar "ingeniería económica" a este techo es usar sujetadores en todo el sistema, por lo tanto, se elimina el costo del adhesivo y la mano de obra para colocarlo. Si bien eliminar el adhesivo es una estrategia de reducción de costo, es posible que se necesiten sujetadores más largos. A veces, cuando algo se elimina, surge la necesidad de un costo mayor en alguna otra parte. Esto no se suele mencionar ni explicar, así que ¡pregúntalo!

Al aplicar ingeniería económica mediante la eliminación del adhesivo, desgraciadamente, puede ocasionar una reducción del 15 al 30 en el valor R con respecto al diseño original del sistema de techo. Si se diseñó el techo para que tenga un R-30, el valor R real, según la instalación, sería de aproximadamente R-21 a R-25. Se demostró que, durante la vida útil de un techo, los sistemas de techo en los que se utilizan membranas adheridas y una capa superior adherida pueden compensar el costo de los adhesivos cuando el costo inicial del rendimiento del aislante "perdido" y el costo anual adicional de mayor calefacción y refrigeración se incluyen en el análisis.

Uno de los temas clave cuando se habla de ingeniería económica de un sistema de techo es que los que proponen la reducción de los costos, por lo general, solo analizan el costo inicial de la instalación de un techo. No obstante, suelen quedar comprometidos los costos operativos, la eficiencia energética y la resistencia a los vientos. Los costos operativos, que están directamente vinculados con la eficiencia energética del sistema de techo, suelen ser mucho más altos durante la vida útil del techo. Además, se deben seleccionar los sistemas de techos con la clasificación de resistencia de vientos diferentes después de que, mediante la ingeniería económica, se analiza el método de acoplamiento.

Además, ¿se predijo en el análisis el diseño de un sistema mecánico y el uso de la energía de todo el edificio en un sistema de techo con un valor R de 30? Si se determina el efecto en el tamaño y el costo de la unidad mecánica, incluidas las diferencias en el uso de la energía en todo el edificio, es posible que se observe que los ahorros de la ingeniería económica tendrán un efecto negativo en el uso de la energía anualizado y la capacidad del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para mantener el confort de los ocupantes. Se puede usar un modelado para la simulación de la energía de todo el edificio, como EnergyPlus™ (EnergyPlus.net). EnergyPlus™ está financiado por la Oficina de Tecnologías de Edificios del Departamento de Energía de los EE. UU. y está gestionado por el National Renewable Energy Laboratory.

Cada "punto" es un sujetador y placa, ambos son puentes térmicos que reducen el valor R de la capa aislante.


Soporta golpes

Si se usa algún tipo de cubierta, mejorará la resistencia a los impactos de un sistema de techo debido a su rigidez en general. No obstante, un asunto clave con la resistencia a los impactos es la ubicación de la placa y el sujetador con respecto a la membrana para techos. Si una cubierta está adherida en forma mecánica (de manera que las placas y la cabeza del sujetador queden directamente debajo de la membrana), se demostró que las cabezas del sujetador y las placas dañan la membrana. Las cubiertas adheridas evitan esta preocupación, pero requieren el uso de algún tipo de adhesivo. No solo es el uso de una cubierta, también es importante el método de instalación.

ice.impact

El impacto de las bolas de hielo sobre los sujetadores siempre perforó la membrana. De izquierda a derecha: daño en aumento, desde una rajadura del tamaño de un cabello hasta una perforación total.


Los impactos se deben tanto al granizo, como al uso del techo por los ocupantes y por cualquiera que realice un trabajo en las unidades mecánicas o las paredes adyacentes del techo, por ejemplo. La reducción del grosor de la membrana, como pasar de una membrana de vellón flexible a una lisa, o cambiar a un tipo de membrana más básica en comparación con una con mayor vida útil comprobada son decisiones de ingeniería económica que pueden reducir el costo, pero también la resistencia a los impactos.

Resistencia al viento

Los diseñadores toman decisiones con respecto al diseño frente al viento con el fin de reducir el riesgo (es decir, elegir uno con cubierta total o parcialmente cerrada, seleccionar la categoría de exposición C en lugar de la B). Si un diseñador y un propietario determinaron reducir el posible riesgo de daños en caso de fuertes vendavales mediante el aumento en las cargas de los vientos en el diseño y, en consecuencia, la capacidad de un sistema de techo, esa capacidad alta podría ser algo que se obvie en la ingeniería económica. La coordinación de las suposiciones del diseño de vientos y la documentación de las expectativas y decisiones del propietario pueden ser factores críticos de información que alivian la reducción de la capacidad de la carga de los vientos en función del costo. Los propietarios tienen sus motivos, la ingeniería económica no debería socavar sus expectativas. Al incluir las presiones de los vientos en el diseño para cada zona de techos, como también si se proporcionan las cargas del diseño para los bordes de metal, los parapetos y mojinete, se establecen requisitos de rendimiento mínimo en los documentos de la construcción.

Si deseas más información sobre diseño de vientos, lee nuestro blog aquí.

Prevención de la condensación

Los techos que incluyen barreras de aire sobre la plataforma base y debajo del aislante ofrecen la mejor protección contra la formación de condensación en un sistema de techo. Para tu diseño de techo, se tuvo en cuenta las temperaturas del diseño interior y exterior, y se realizaron cálculos para determinar los lugares posibles de puntos de condensación, que llevó a la colocación adecuada de la barrera de aire.

Este diseño de techos supera las normativas. Si bien el código de energía permite que la membrana para techos sea la barrera de aire, el aire puede ascender en el sistema de techo. Esto se denomina "intrusión de aire" y puede permitir el ingreso de humedad en el sistema de techo y, así, causar problemas de condensación.


Una opción es colocar una capa de barrera de aire en la superficie superior de un tablero rígido sujeto a la cubierta del techo. No obstante, con sistemas "de una primera capa sujeta y capas superiores (aislante, tablero para cubierta, membrana) adheridas", existe la oportunidad de incluir una barrera de vapor o de aire entre las capas de aislantes sin sujetadores que penetren la capa de vapor o de barrera de aire. Si se usan ambos diseños, se reduce la intrusión de aire y se logra la posibilidad de condensación, ¡esta sí es una verdadera oportunidad de ingeniería económica! Se pueden determinar los costos de los materiales y la mano de obra de cada diseño, y se puede implementar el diseño menos costoso que ofrezca control de la condensación, en lugar de eliminar la barrera de aire debidamente colocada.

Si bien quitar la barrera de aire, y los adhesivos y componentes asociados reduce los costos, cambiar a un sistema de techo que solo usa acoplamiento mecánico también afecta de manera negativa la posibilidad de condensación y el rendimiento térmico del sistema de techo. Por ejemplo, consideremos un edificio con mucha humedad, como un natatorio, el uso de una barrera de aire a nivel de la plataforma base reduce la intrusión de aire en el sistema de techo desde el interior y la humedad que transporta el aire. Esto reduce la posibilidad de condensación y daña el sistema del techo.

Alta resistencia al calor (y a los rayos UV)

El calor y los rayos UV son dos factores ambientales que afectan la vida útil de la membrana para techos. Debido a que comprendemos esto y que las tormentas se están tornando más intensas y frecuentes, además de reconocer que las temperaturas están subiendo (los mapas de las zonas climáticas de ASHRAE se están desplazando hacia el norte), tu diseño de techo incluye una membrana con comprobada vida útil. Es probable que la especificación incluya la membrana TPO Everguard Extreme® de GAF debido a su capacidad para resistir las condiciones de temperaturas altas.

Es posible que se aplique la ingeniería económica a una membrana para techos de alto rendimiento y se la cambie por una de costo inicial reducido. La lógica es que evite el agua. Pero, ¿cuál será el costo a largo plazo? Diseñaste un techo que cumple con las expectativas del cliente para una vida útil prolongada. Si se consideran los costos anualizados, no solo el costo inicial, podría demostrar que un techo con una vida útil más prolongada, en realidad, ofrece más valor a largo plazo para el propietario. Una estrategia clave es usar costos anualizados cuando se tiene en cuenta la ingeniería económica

Drenaje positivo

La mayoría de los sistemas de techo no tienen garantía contra el agua estancada. La combinación de los rayos UV y el agua es un mecanismo que hace que progrese el deterioro de muchos materiales de membrana para techos. Y, debido a que se debe extraer el agua de un techo de manera rápida y eficiente, el diseño del techo incluye drenajes y salidas de agua del tamaño debido, un diseño de aislante biselado que desplaza de manera eficiente el agua hacia los drenajes y salidas de agua, vierteaguas y monturas para evitar encharcamientos localizados.

Ejemplo de un diseño biselado, cortesía del grupo de diseño biselado de GAF


Si se solicita reducir el costo del aislante biselado, una respuesta posible es instalar más drenajes que estén más próximos entre sí. Esto podría reducir la acumulación del aislante biselado y el costo asociado. ¿Tal vez la utilización de concreto aislante liviano sea menos costoso? ¿Tal vez, el uso de una membrana de TPO que no tenga limitaciones de agua estancada en la garantía tenga sentido?

Resistencia al desgaste

Las membranas más gruesas, las superficies granuladas y las planchuelas para pasillo son útiles para evitar el desgaste indeseado en las membranas para techado. Seguro ya coordinaste las expectativas con el propietario, tu cliente, de que la protección del techo contra el desgaste es importante durante la fase operativa del edificio. Cuando se reduce el grosor de una membrana, también se reduce el potencial de la resistencia al desgaste, como su resistencia a los impactos (como ya se observó en este blog). Como con muchas cosas, ninguno de estos problemas viene solo.

Realiza una comparación de costos de una membrana de betún modificado con superficie granulada con un sistema de revestimiento con alto contenido de sólidos para evaluar si existen sistemas menos costosos que también cumplen con los requisitos de la resistencia al desgaste. No evalúes solo los costos iniciales, considera los costos de mantenimiento durante la vida útil del techo que afecta los costos anualizados. Una solución eficaz y económica podría ser una cantidad relativamente pequeña de planchuelas para pasillo, estratégicamente colocadas alrededor de las unidades y los sistemas del techo que requieran mantenimiento regular (p. ej., unidades de HVAC y paneles solares).

Sustituciones de productos

No todos los productos con la misma función prevista (y descrita con la misma terminología) se fabrican igual. Un ejemplo podría ser una barrera de vapor. Una barrera de vapor autoadherente con una clasificación de permeabilidad de 0.03 tiene un rendimiento deseado y se incluyó por un motivo específico (para bloquear de manera efectiva la difusión de humedad en el armado del techo). Sustituirla por una barrera de vapor más económica con distintas propiedades (p. ej., una clasificación de mayor permeabilidad) y características físicas (asfáltica de 30 mil vs. poliéster de 6 mil), no se instalará de la misma manera, incluso si ambas son barreras de vapor. El material más económico, tal vez es el más costoso de instalar de manera adecuada.

Detalles

Los detalles son importantes. Sin duda, la capacidad de un techo de repeler el agua es la más desafiante en los detalles de penetración, perímetros y ubicación donde existe interrupción, extremo y cambio de dirección. Diseñaste un contravierteaguas compuesto de dos partes para facilitar el mantenimiento y la futura renovación de techado, uno de una sola parte es menos costoso en un principio. Cuando llega el momento de renovar el techo, ¿se necesita quitar y reparar el material de la fachada (p. ej., mampostería, yeso, EIFS) para instalar un nuevo contravierteaguas? Nuevamente, ya le explicaste al propietario que los esfuerzos futuros de mantenimiento y renovación de techado son importantes.

Existen maneras de aplicar ingeniería económica a los detalles del techo, en especial, en lo que respecta a la barrera de aire y de vapor desde el punto de vista de la construcción. Un buen ejemplo es una saliente. Resulta lógico diseñar una barrera de aire para cerrar una saliente (las líneas azules del gráfico), pero existen muchas posibles discontinuidades (las líneas rojas del gráfico). La barrera de aire puede estar en la parte interior del alero; la barrera de aire de la pared podría estar conectada a la parte inferior de la plataforma base del techo, y la barrera de aire sobre la plataforma base (ya sea a nivel de la plataforma base o de la membrana para techos) estar vinculada a la parte superior de la plataforma base para generar un sistema de barrera de aire continuo. Prácticamente, no existe ahorro en la mano de obra relacionada con esta revisión del diseño con ingeniería económica.

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Condiciones climáticas

El cambio de estación suele ser el ímpetu para cambiar un sistema adherido por uno que esté estrictamente acoplado de forma mecánica. Aunque esto no sea un caso de ingeniería económica, un cambio de estación puede significar temperaturas diarias por debajo de las que recomienda el fabricante como mínimas para los materiales adhesivos. No obstante, los fabricantes tienen (y siguen fabricando) adhesivos para temperaturas más bajas. Independientemente del motivo por el que el diseño del sistema de techo elimina adhesivos y los reemplaza con sujetadores, existe eficiencia energética y compensaciones en la resistencia a los impactos.

Expectativas de los propietarios

Gran parte de la prevención de la ingeniería económica es tener una comprensión clara de los requisitos y las expectativas de rendimiento de los propietarios. Obtener el respaldo de un propietario para los sistemas de techo de alto rendimiento es fundamental. Durante la fase de diseño, se debería documentar las explicaciones de la importancia de las decisiones de diseño y adaptarlas a los requisitos de rendimiento del propietario. Las decisiones de diseño documentadas que se toman junto con el propietario ofrece una defensa cuando se usa "cuesta demasiado" como fundamento para la ingeniería económica.

La Whole Building Design Guide, del National Institute of Building Sciences, incluye información detallada sobre la ingeniería económica durante las fases de diseño y construcción de un proyecto.

Acerca del autor

James R. Kirby, miembro de American Institute of Architects (Instituto Estadounidense de Arquitectos, AIA) es un arquitecto especializado en la en ciencia de la Construcción y Techado. Jim tiene una maestría en Estructuras Arquitectónicas y es arquitecto con licencia. Tiene más de 25 años de experiencia en la industria de los techos por haber trabajado en sistemas de techos con baja pendiente, sistemas de techos con pendiente escarpada, sistemas de techos con paneles de metal, sistemas de techo con espuma de poliuretano en spray, cubiertas vegetales para techos y sistemas fotovoltaicos para techos. Sabe cuáles son los efectos del calor, del aire y de la difusión de la humedad en los sistemas de techos. Jim presenta a arquitectos, consultores y propietarios de edificios información relativa a la ciencia detrás de la construcción y del techado; además, escribe artículos y blogs para propietarios de edificios, gerentes de instalaciones e industria de los techos. Kirby es miembro del American Institute of Architects (Instituto Estadounidense de Arquitectos, AIA), ASTM, ICC, MRCA, NRCA, RCI y USGBC.

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