El impacto de la conexión de acero con forma fría Detalles sobre la eficiencia energética

Los detalles de conexión utilizados para unirse a los miembros de CFS son a menudo pasados por alto durante el modelado de energía o los exámenes de diseño de sobres. Sin embargo, estas conexiones conllevan clips estructurales, uniones de pista a ruido, canales de puente o sujetadores; pueden mitigar o exacerbar el puente térmico. A medida que los códigos de construcción endurecen y los objetivos de energía net-cero se vuelven más comunes, los arquitectos y los ingenieros deben entender cómo la conexión térmica

La ciencia del flujo de calor a través de las conexiones de acero

La transferencia de calor en sobres de construcción se produce a través de tres mecanismos: conducción, convección y radiación. Para conjuntos CFS, la conducción a través de los miembros de acero es la preocupación principal. Un montaje de pared CFS típico tiene una cavidad llena de aislamiento, y los propios studs están separados del interior y exterior de la vaina de yeso o de otros acabados.

La severidad de la brida térmica depende de la conductividad térmica del material, la zona transversal del puente, y la diferencia de temperatura en toda la asamblea. Un estiércol de acero continuo que se ejecuta de interior a exterior sin una rotura térmica

Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge y otras instituciones han cuantificado estos efectos mediante pruebas de caja caliente vigilada y análisis de equilibrio finito. Su trabajo muestra que la transmitancia lineal (valor de Psi) de una conexión puede ser tan alta como 0.04 a 0.10 W/(m·K) para las uniones no tratadas, mientras que transmiten más alternativas térmicamente rotas

Tipos de CFS Detalles de conexión y su rendimiento térmico

Conexiones entorpecidas y destornilladas

Las conexiones atornilladas y atornilladas son el método más común de unir a los miembros del CFS. En una pared típica enmarcada, los tornillos penetran en la brida y la línea de pista o la brida. Debido a que el tornillo en sí es de acero conductivo, crea un pequeño puente térmico de punto. Sin embargo, el impacto general de un solo tornillo es mínimo cuando se considera en aislamiento.

Para abordar esto, los diseñadores pueden utilizar lavados térmicos] o tapas de tornillos aisladas] hechas de nylon o fibra de vidrio. Estos componentes aumentan la resistencia térmica en el punto de penetración. Mientras que la mejora por tornillo es pequeña, el efecto acumulativo en una gran asamblea puede ser significativo.

Conexiones soldadas

Las conexiones soldadas son menos comunes en el encuadre CFS de campo, pero aparecen en paneles prefabricados y trusses de calibre pesado. Una soldadura crea un vínculo metalúrgico continuo entre dos piezas de acero, que es un puente térmico casi perfecto. Las articulaciones soldadas pueden conducir el calor aún más eficiente que las recubiertas porque no hay espacio de aire o gaseosa. En conjuntos donde el rendimiento térmico es paramontable, la soldadura

Una estrategia es diseñar la conexión de tal manera que la soldadura se coloca fuera del sobre térmico primario de plomdash; por ejemplo, en el lado exterior de un ángulo de estante que se atornilla a una columna a través de un espaciador aislado. El contacto de acero a tallo a través de la soldadura es entonces en el exterior, mientras que el lado atornillado tiene una ruptura térmica.

Clips y conectores con rupturas termales integrales

Los conectores CFS propietarios con roturas térmicas incorporadas están ahora ampliamente disponibles. Estos productos suelen consistir en un clip de acero adherido a un bloque o almohadilla no conductivo (comúnmente fabricado a partir de polietileno de peso molecular ultra-alto, polímero reforzado de fibra de vidrio, o nylon).El clip conecta el miembro estructural principal a un componente secundario de doblecidad; por ejemplo, un ángulo de estante exterior que soporta un ventcono de ladrillo.

Las pruebas de la industria por el Consorcio de Investigación de acero inoxidable] y otros han demostrado que estos clips pueden reducir la transmisión lineal de una conexión en un 70% en comparación con un soporte de acero sólido. Además, muchos de estos productos vienen con juntas integradas para sellado de aire, abordando tanto la fuga de aire como la reducción térmica simultáneamente.

Pistas y canales continuos vs. discontinua

Una fuente importante de puente térmico en paredes CFS es las pistas superiores y inferiores que corren continuamente a lo largo del suelo y el techo. Estas pistas son a menudo hechas de acero más pesado y puede actuar como un autobús de calor, transfiriendo el calor interior al borde exterior de la pared. Para combatir esto, los diseñadores han desarrollado sistemas de pista distinuas donde la pista se corta en cada segmento térmico.

Otro enfoque es utilizar una vía borrada que permite que el estuche se mueva verticalmente (para el movimiento diferencial entre los pisos) mientras que la pista misma se rompe térmicamente con un inserto de polímero reforzado con fibra. Estos sistemas son especialmente comunes en edificios multi-story donde el apilamiento de movimiento necesita ser acomodado sin comprometer el sobre térmico.

Bridging y Bracing Connections

Las paredes CFS a menudo requieren un cierre horizontal o un freno diagonal para resistir cargas sísmicas y de viento. Los canales de brida tradicionales funcionan continuamente a través de ranuras en estrías, creando otro largo camino de acero a través de la cavidad aislada. Esto puede ser un puente térmico significativo, especialmente en paredes con estrías profundas (por ejemplo, 8 pulgadas o 10 pulgadas de profundidad).

Para paredes de acero sólido que requieren paneles de chapa de acero sólido (por ejemplo, chapas de acero de 18-ga o 16-ga adjuntas a los estiércol), el panel en sí es una superficie conductora grande y continua. En tales casos, la única manera de mitigar el estribo térmico es colocar el panel de escamas en el lado cálido de la aislante o envolverlo con aislamiento exterior continuo de espesor suficiente para reducir la pérdida de calor a través del espacio de coordina.

Estrategias de diseño para optimizar la eficiencia energética mediante la detalla de conexión

1. Implementar el aislamiento continuo (ci) sobre el exterior

Una de las formas más eficaces de mitigar el puente térmico de cualquier detalle de conexión es colocar insondización continua en el exterior del marco CFS. Esta capa actúa como una ruptura térmica para todos los elementos de acero que penetran en la cavidad de la escoria. El espesor de la capa de ci es determinado por la zona climática y el valor R requerido en general.

Cuando se utiliza ci, el impacto térmico de las conexiones se vuelve menos crítico porque el aislamiento cubre las puntas de acero. Sin embargo, clips o soportes que adjuntan el revestimiento o el veneer todavía penetran la capa de ci. En este caso, el detalle de conexión debe ser diseñado para minimizar el área de penetración. Usando clips de carga en lugar de ángulos continuos largos reduce la sección total de acero que puente la insulación.

2. Incorporar sistemas de barrera aérea en puntos de conexión

Los puentes térmicos se componen a menudo por fuga de aire en la conexión. Los elementos entre los miembros del acero, especialmente en los solapamientos de pista o sujetadores de clip, pueden permitir que el aire acondicionado escape y el aire sin condicionar para infiltrarse. Especificar un clip de aire comprimido o de membrana que se conecta a las bridas de conexión y se sella la interfaz de aislamiento es esencial.

El sellado de aire en la base de la pared donde la pista inferior se encuentra con la losa del suelo es otra ubicación crítica. La brecha entre la pista y la losa debe llenarse con una cinta de espuma compresible o un sellador elastómico que también proporciona algún valor aislante. Sin este detalle, la pista de acero puede convertirse en un camino directo tanto para la conducción de calor como para el movimiento de aire.

3. Use Optimización estructural para reducir la densidad de acero

Los menos elementos de acero que penetran en el plano de aislamiento, la menor es la cobertura térmica efectiva. Una manera de reducir la densidad de acero es aumentar el espaciado de estiércol] de 16 pulgadas en el centro a 24 pulgadas, utilizando acero de mayor tamaño para mantener la capacidad estructural.

Otra estrategia emergente es diseño compuesto donde se utilizan estrías de acero en combinación con materiales de vainado estructural (por ejemplo, OSB o contrachapado con correas de acero) para reducir el número de miembros de acero en conjunto. Al reducir el número de puntos de conexión, se reduce la transmisión lineal total y el rendimiento general mejora.

4. Especifique sistemas de conexión de dos etapas

Los sistemas de conexión de dos etapas separan la conexión estructural de la ruptura térmica. Por ejemplo, un clip de acero se adhiere a la estructura principal usando un perno con una manga de nylon que impide el contacto de acero a tallo en el agujero. Luego, un soporte secundario sostiene el revestimiento o aislamiento, y se conecta al primer clip a través de un stand de polímero. Estos sistemas pueden alcanzar valores de Psi muy bajos mientras que todavía se transfieren los calvicielos de gran valor.

Los fabricantes europeos han liderado el desarrollo de estos sistemas, y muchos están disponibles en Norteamérica. El costo inicial es más alto que un simple soporte de acero, pero los ahorros energéticos sobre el edificio Pulrsquo;s la vida —especialmente en climas más fríos— pueden proporcionar una rápida rentabilidad. Los análisis de costes de ciclo vital por el Steel Building Institute of America muestran que la inversión típica en energía rota

Aplicación práctica y cumplimiento del Código

La adopción de detalles de conexión térmicamente eficientes no requiere una revisión completa de las prácticas de diseño. La mayoría de las estrategias descritas anteriormente se pueden implementar modificando los detalles estándar existentes. Por ejemplo, reemplazar un ángulo de acero continuo con una serie de clips rotos térmicamente es un pequeño cambio en los dibujos de la tienda pero produce una mejora mensurable en R-value. De manera similar, especificar una pista ranurada con un inserto de rotura térmica en lugar que una pista estándar añade un coste mínimo.

Para verificar el rendimiento, los equipos de proyectos deben solicitar informes de prueba térmica] de los fabricantes de conexiones. Muchas empresas proporcionan valores de Psi derivados de modelos de equilibrio finito o pruebas de caja caliente vigiladas. Estos valores pueden conectarse a software de simulación de energía de construcción completa (por ejemplo, EnergyPlus, IESVE, o WUFI) para comparar el impacto energético de los componentes de conexión térmica avanzada

También es importante coordinar con el ingeniero estructural para asegurar que los materiales de rotura térmica elegidos tengan una fuerza y rigidez adecuadas. Los materiales polímeros pueden arrastrarse bajo carga sostenida o suavizar a temperaturas elevadas, por lo que el diseño estructural debe tener en cuenta estos factores. Los fabricantes proporcionan curvas de carga y clasificaciones de temperatura que deben ser revisadas.

Conclusión: El papel de los detalles de conexión en los avances de alto rendimiento

La eficiencia energética de un edificio de acero de forma fría no está determinada únicamente por el valor R de la aislamiento o la hermeticidad del sobre. Los detalles de conexión entre componentes de acero juegan un papel igualmente crítico controlando el puente térmico en las interfaces donde el flujo de calor es más intenso. Al comprender la física de la conducción a través del acero, clasificando los tipos de conexión por su rendimiento térmico, y aplicando estrategias de diseño comprobadas sustancialmente disminuciones de energía estructural,

La industria de la construcción se mueve hacia niveles de rendimiento más altos, y los detalles de la conexión ya no son una idea posterior. Son una parte integral del diseño de sobres térmicos. Arquitectos, ingenieros y contratistas que invierten tiempo en optimizar estas conexiones no sólo lograrán facturas de energía más bajas y reducirá emisiones de carbono, sino que también crearán edificios más resistentes, cómodos y duraderos.

Para más lectura sobre el rendimiento térmico de las asambleas CFS, consulte SFIA Technical Note “Minimizing Thermal Bridging in Cold‐Formed Steel Walls recíprocardquo; and the ASHRAE Handbook of Fundamentals, Chapter 27.