El recorrido sinuoso del calor: equilibrio entre la eficiencia térmica y la seguridad estructural en entramados de acero conformado en frío

Imagine que se encuentra en una obra activa de un edificio de mediana altura en Chicago durante un gélido mes de enero. A través de una cámara termográfica, los muros exteriores del edificio parecen una caja torácica incandescente. Unas líneas rojas brillantes recorren verticalmente el muro cada 16 inches y muestran exactamente por dónde escapa el calor. Esta es la realidad del puente térmico en los entramados convencionales de acero conformado en frío (CFS), donde los montantes de acero, altamente conductores, actúan como un atajo para el calor y eluden el aislamiento de la cámara.

Durante años, la solución habitual para esta pérdida de energía ha consistido en aumentar el espesor de la envolvente con paneles continuos de aislamiento exterior. Sin embargo, a medida que las normativas energéticas municipales se vuelven más exigentes, los ingenieros proyectistas y los constructores se enfrentan a una decisión difícil: sacrificar superficie útil para emplear sistemas de muro más voluminosos o encontrar una forma de aumentar la resistencia térmica de los propios elementos de acero.

En este punto aparece el “montante térmico”, una clase innovadora de elementos CFS con perforaciones ranuradas alternadas practicadas directamente en el alma. Al introducir físicamente cámaras de aire en la trayectoria de la energía que escapa, estas almas ranuradas obligan al calor a recorrer un camino sinuoso y tortuoso alrededor de las ranuras.

Las investigaciones han demostrado la eficacia de esta geometría para interrumpir el puente térmico. En un estudio destacado sobre física de la edificación, la investigadora Julianna Lipták-Váradi desarrolló un método para calcular la “conductividad térmica equivalente” de las almas ranuradas (Lipták-Váradi, 2011). Sus resultados revelaron que optimizar la geometría de las ranuras puede reducir la conducción térmica a lo largo del alma entre un 70% y un 80% en comparación con los montantes de alma maciza (Lipták-Váradi, 2011; Sustain-DPL, 2020). En condiciones estacionarias, la conductividad térmica equivalente de un alma de acero correctamente ranurada puede descender hasta solo el 8.6% de la conductividad natural del acero macizo (Lipták-Váradi, 2011).

Además, un estudio de 2023 publicado en la revista Energies por Zhijian Yang y un equipo de especialistas en envolventes de edificios demostró que un muro CFS con montantes provistos de siete filas de ranuras reduce el coeficiente global de transmisión térmica del muro en un 38.59% frente a un muro idéntico con montantes de alma maciza (Yang et al., 2023).

Para visualizar el efecto de estas variables, el siguiente gráfico compara cómo influyen distintos parámetros de las ranuras del alma y diferentes espesores de acero en el rendimiento térmico general de los sistemas de muro de acero conformado en frío:

Figura 1: Influencia paramétrica del espesor del montante y de las configuraciones del alma ranurada en la transmitancia térmica de un muro CFS.

Sin embargo, como sabe cualquier ingeniero estructural, en la mecánica estructural no hay beneficios sin contrapartidas. Practicar una red de ranuras en un elemento portante reduce considerablemente su área de sección transversal e introduce un riesgo estructural específico: una mayor susceptibilidad al pandeo distorsional.

“Los ensayos demostraron que el montante de alma ranurada es muy sensible al modo de pandeo distorsional”, señaló un informe de ensayos exhaustivo preparado por el NAHB Research Center para la Steel Framing Alliance y el American Iron and Steel Institute (AISI) (NAHB Research Center, 2002). Sus ensayos experimentales con columnas cortas revelaron que la presencia de ranuras en el alma puede reducir el área portante efectiva de un montante CFS convencional hasta aproximadamente el 50% de su área bruta (NAHB Research Center, 2002).

Para reducir la brecha entre el rendimiento térmico y la fiabilidad estructural, los investigadores han trabajado en el establecimiento de límites de diseño precisos. En un estudio detallado publicado en el Journal of Constructional Steel Research, los especialistas Natalia Degtyareva y Keerthan Poologanathan dirigieron un análisis de 432 modelos de elementos finitos de vigas CFS perforadas con ranuras (Degtyareva & Poologanathan, 2021). Su trabajo demostró que las aberturas alternadas en el alma pueden reducir hasta un 23% la capacidad última a flexión de un elemento, en función de la configuración de las ranuras (Degtyareva & Poologanathan, 2021). Para garantizar la seguridad, desarrollaron y validaron con éxito fórmulas modificadas del Método de Resistencia Directa (DSM), proporcionando a los ingenieros las herramientas matemáticas necesarias para predecir la capacidad y diseñar frente al pandeo (Degtyareva & Poologanathan, 2021).

Para los constructores que desean aplicar estos elementos de alto rendimiento, los investigadores han identificado un diseño “óptimo” que maximiza la eficiencia térmica sin comprometer la seguridad estructural (Yang et al., 2023):

• Espesor del montante: Los perfiles de acero deben mantenerse delgados, idealmente entre 1.0 mm y 1.2 mm, ya que reducir el espesor en 0.5 mm disminuye la pérdida de calor del muro en un 18.63% (Yang et al., 2023).
• Configuración de las ranuras: Deben utilizarse entre 5 y 7 filas de ranuras, con una longitud de ranura de 70 mm a 80 mm y una anchura de 2 mm a 3 mm (Yang et al., 2023).
• Separación transversal: Debe mantenerse una separación transversal reducida de 6 mm a 10 mm en dirección perpendicular a las ranuras, ya que las trayectorias continuas de acero más anchas agravan el puente térmico (Yang et al., 2023).

Mediante la adopción de estos perfiles ranurados diseñados técnicamente, el sector de la construcción comercial puede ejecutar proyectos que cumplan normativas energéticas estrictas y mantengan al mismo tiempo la integridad estructural característica del CFS.

Referencias

NAHB Research Center. (2002). Entramados de acero eficaces y energéticamente eficientes: comportamiento estructural de montantes de acero para muros con alma ranurada. Informe de investigación preparado para el American Iron and Steel Institute y el U.S. Department of Energy.

Lipták-Váradi, J. (2011). Conductividad térmica equivalente de vigas de acero con alma ranurada. Artículo de investigación sobre el modelado térmico de las perforaciones del alma.

Degtyareva, N., & Poologanathan, K. (2021). Nuevas reglas de diseño frente al pandeo distorsional para vigas perforadas y ranuradas de acero conformado en frío. Journal of Constructional Steel Research.

Yang, Z., et al. (2023). Rendimiento térmico de un muro compuesto ranurado con entramado ligero de acero. Energies.

Sustain-DPL. (2020). Rendimiento del aislamiento térmico de muros no portantes con montantes ranurados de acero ligero. sustain-dpl.com.