Compreender a ligação térmica na construção de aço frio

O aço formado a frio (CFS) tornou-se uma pedra angular do enquadramento moderno de lúpulo, devido à sua elevada relação resistência ao peso, estabilidade dimensional e resistência à humidade, fogo e pragas. A sua adopção em edifícios comerciais, multifamiliares e institucionais continua a crescer. Contudo, um desafio persistente que afecta directamente o uso de energia operacional de um edifício é a ponte térmica[—a transferência de calor através de elementos de construção condutor que penetram na camada de isolamento. Como o aço tem uma condutividade térmica aproximadamente 300 vezes maior do que a madeira, mesmo pequenas ligações podem criar caminhos contínuos de fluxo de calor que contornam o isolamento, aumentando a procura de energia para aquecimento e arrefecimento e arriscando a condensação dentro das paredes.

Os detalhes de conexão usados para juntar-se aos membros do CFS são frequentemente ignorados durante a modelagem de energia ou revisões de design de envelopes. Contudo, estas conexões & mdash; quer envolvam clipes estruturais, juntas de faixa a campo, canais de ligação ou bracing & mdash; podem atenuar ou exacerbar a ligação térmica. À medida que os códigos de construção se apertam e os objetivos de energia net- zero se tornam mais comuns, arquitetos e engenheiros devem entender como as escolhas de design de conexão influenciam o desempenho térmico de todo o edifício. Este artigo examina a mecânica do fluxo de calor através das conexões do CFS, categoriza os tipos de conexão pelo seu impacto térmico e fornece estratégias de design acionáveis para melhorar a eficiência energética sem comprometer a integridade estrutural.

A ciência do fluxo de calor através de conexões de aço

A transferência de calor nos envelopes de construção ocorre através de três mecanismos: condução, convecção e radiação. Para as montagens CFS, a condução através de barras de aço é a principal preocupação. Uma montagem típica da parede CFS tem uma cavidade cheia de isolamento, e os próprios pregos são separados do interior e exterior por placa de gesso ou outros acabamentos. Mas nos pontos de ligação— onde um prego encontra uma pista superior ou inferior, ou onde um clipe liga um ângulo de prateleira a uma coluna— a camada de isolamento é frequentemente interrompida por aço contínuo. Isto cria uma ponte térmica ] que permite que o calor flua directamente do interior quente para o exterior frio (ou vice- versa) com pouca resistência.

A gravidade da ligação térmica depende da ] condutividade térmica do material, da área transversal[ da ponte, e da diferença de temperatura[] através do conjunto. Um stud contínuo de aço que corre do interior ao exterior sem uma ruptura térmica pode reduzir o valor R eficaz de uma parede em 20–50% ou mais, dependendo do espaçamento de fixação e elementos penetrantes. Detalhes da conexão, no entanto, podem ser projetados para interromper esse caminho. Por exemplo, usando um clipe com um espaçador não condutor ou estagnando a conexão para que os elementos de aço não se alinham através da camada de isolamento podem reduzir substancialmente a perda de calor.

Os investigadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge e outras instituições quantificaram estes efeitos utilizando testes de hot-box vigiados e análise de elementos finitos. O seu trabalho mostra que a transmitância linear (valor Psi) de uma ligação pode ser tão elevada como 0,04 a 0,10 W/(m·K) para junções não tratadas, enquanto alternativas termicamente quebradas podem cortar essa transmitância em 60-80%. Incorporar estes dados em modelos energéticos ajuda a prever cargas de aquecimento e arrefecimento totais com maior precisão, o que é fundamental para o cumprimento de normas como ASHRAE 90.1 ou o Código Internacional de Conservação de Energia (IECC).

Tipos de detalhes de conexão CFS e seu desempenho térmico

Conexões parafusadas e parafusadas

As conexões parafusadas e parafusadas são o método mais comum de união dos membros do CFS. Em uma parede emoldurada típica, os parafusos penetram na flange do prego e na teia da trilha ou flange. Como o parafuso em si é aço condutor, cria uma ponte térmica de pequeno ponto. No entanto, o impacto global de um único parafuso é mínimo quando considerado isoladamente. O problema surge quando vários parafusos são usados ao longo de uma linha de aço contínua, como uma pista que corre ininterruptamente para o comprimento total de uma parede. Nesses casos, os parafusos fornecem uma grade densa de caminhos condutores que, coletivamente, reduzem o valor de isolamento efetivo da cavidade.

Para tratar disso, os designers podem usar as arruelas de ruptura térmica ou de rosca isolada de nylon ou fibra de vidro. Estes componentes aumentam a resistência térmica no ponto de penetração. Embora a melhoria por parafuso seja pequena, o efeito cumulativo em uma grande montagem pode ser significativo. Alguns fabricantes agora oferecem faixas pré-punchadas com fendas que permitem que os parafusos penetrem através de um grommet de plástico, o que reduz o contato entre a haste de parafuso e a via de aço.

Conexões Soldas

As ligações soldadas são menos comuns no enquadramento CFS em campo, mas aparecem em painéis pré-fabricados e em treliças de calibre pesado. Uma solda cria uma ligação metalúrgica contínua entre duas peças de aço, que é uma ponte térmica quase perfeita. As juntas soldadas podem conduzir calor ainda mais eficientemente do que as aparafusadas, porque não há abertura de ar ou vedação. Nos conjuntos onde o desempenho térmico é primordial, a soldadura deve ser evitada no plano de isolamento. Se a solda é estruturalmente necessária, deve ocorrer apenas em pontos que serão cobertos por isolamento contínuo externo (ci) ou por revestimento interior.

Uma estratégia é projetar a conexão de tal forma que a solda seja colocada fora do envelope térmico primário & mdash; por exemplo, no lado externo de um ângulo de prateleira que é aparafusado para uma coluna através de um espaçador isolado. O contato aço- aço- aço através da solda é então do lado externo, enquanto o lado aparafusado tem uma ruptura térmica. Esta abordagem equilibra a continuidade estrutural com a separação térmica.

Clips e conectores com quebras térmicas integrais

Conectores CFS proprietários com quebras térmicas incorporadas estão agora amplamente disponíveis. Estes produtos consistem tipicamente em um clipe de aço ligado a um bloco ou almofada não-condutor (comummente feito de polietileno de alto peso molecular, polímero reforçado com fibra de vidro ou nylon). O clipe conecta o principal elemento estrutural a um componente secundário & mdash; por exemplo, um ângulo de prateleira exterior que suporta um revestimento de tijolo. O material não-condutor quebra o caminho contínuo do aço, portanto o calor deve viajar através de duas camadas de aço separadas por um elemento de baixa condutividade.

Ensaios industriais pelo Consórcio de Investigação em Aço Frio e outros demonstraram que estes clipes podem reduzir a transmitância linear de uma ligação em 70% em comparação com um suporte de aço sólido. Além disso, muitos destes produtos vêm com juntas integradas para vedação de ar, abordando simultaneamente ambas fugas de ar e ligação térmica. Ao especificar esses clipes, é importante verificar a capacidade de suporte de carga e a classificação de resistência ao fogo, uma vez que os materiais não condutores podem ter propriedades mecânicas diferentes do aço.

Faixas e Canais Contínuos vs. Descontínuos

Uma das principais fontes de ligação térmica nas paredes do CFS é a faixa superior e inferior que corre continuamente ao longo do chão e do teto. Estas faixas são muitas vezes feitas de aço de gaseificação mais pesada e podem funcionar como um autocarro de calor, transferindo calor interior para a borda exterior da parede. Para combater isso, os designers desenvolveram sistemas de via descontínuos onde a pista é cortada em segmentos mais curtos, com cada segmento ligado a um prego e separado por uma lacuna. As lacunas são então preenchidas com isolamento rígido ou uma faixa de ruptura térmica comprimível.

Outra abordagem é usar uma faixa lotada que permite que o garanhão se mova verticalmente (para o movimento diferencial entre pisos) enquanto a própria pista está termicamente quebrada com uma inserção de polímero reforçado por fibra. Estes sistemas são especialmente comuns em edifícios de vários andares onde a pilha de movimento precisa ser acomodada sem comprometer o envelope térmico. Pesquisa publicada pelo ASHRAE[] O Comité Técnico de Desempenho Termal mostra que instalações de pista descontínuas podem melhorar o valor R global de uma montagem de parede em 10-15% em comparação com faixas contínuas, dependendo do tipo de espaçamento de prego e isolamento.

Ligações de ponte e de apoio

As paredes CFS requerem frequentemente uma ponte horizontal ou uma contrapressão diagonal para resistir ao vento e cargas sísmicas. Os canais de ligação tradicionais percorrem continuamente fendas em pregos, criando outro longo caminho de aço através da cavidade isolada. Esta pode ser uma ponte térmica significativa, especialmente em paredes com pregos profundos (por exemplo, profundidades de 8 polegadas ou 10 polegadas). As soluções modernas incluem poliester-fibra ou liga de nylon ] que ligam pregos sem aço contínuo. Alternativamente, a bracagem pode ser realizada usando cintas de aço no interior ou exterior dos pregos, que é mais fácil de isolar com isolamento externo contínuo.

Para paredes de cisalhamento que requerem painéis de chapas de aço sólido (por exemplo, chapas de aço de 18-ga ou 16-ga ligadas a pregos), o painel em si é uma superfície condutora grande e contínua. Nesses casos, a única forma de atenuar a ligação térmica é colocar o painel de cisalhamento no lado quente do isolamento ou enrolá-lo com isolamento externo contínuo de espessura suficiente para reduzir a perda de calor através do aço. Os designers devem coordenar com engenheiros estruturais para localizar painéis de cisalhamento onde terão o menor impacto no envelope térmico – por exemplo, colocando-os dentro do espaço condicionado em vez de na cavidade exterior da parede.

Estratégias de projeto para otimizar a eficiência energética através de detalhamento de conexão

1. Implementar a Isolamento Contínuo (ci) no Exterior

Uma das formas mais eficazes de atenuar a ligação térmica de qualquer detalhe é colocar isolamento contínuo no exterior do enquadramento CFS. Esta camada funciona como uma ruptura térmica para todos os elementos de aço que penetram na cavidade do garanhão. A espessura da camada de ci é tipicamente determinada pela zona climática e o valor R-. Por exemplo, na Zona Climática 5 da IECC, uma recomendação comum é de pelo menos 1,5 a 2 polegadas de isolamento de mineral-lavo rígido ou poliisocianurato com uma resistência térmica de R-5 a R-14 por polegada.

Quando o ci é utilizado, o impacto térmico das ligações torna-se menos crítico porque o isolamento cobre as pontas de aço. Contudo, os clipes ou suportes que ligam o revestimento ou a faceta ainda penetram na camada de ci. Neste caso, o detalhe da ligação deve ser concebido para minimizar a área de penetração. Usando clipes de carga em vez de longos ângulos contínuos reduz a secção transversal total de aço que liga o isolamento.

2. Sistemas de barreira aérea incorporados em pontos de conexão

A ponte térmica é frequentemente composta por fuga de ar na ligação. As aberturas entre barras de aço, especialmente nas sobreposições de via ou ligações de clipe, podem permitir que o ar condicionado escape e o ar não condicionado se infiltre. Especificar uma barreira de ar ou membrana aplicada que se estende sobre as flanges de ligação e está selada na interface de isolamento é essencial. Alguns fabricantes fornecem juntas pré-instaladas nos seus clipes e conectores que selam a juntaria aço-a-aço. Estes gasetes também servem como quebras térmicas se forem feitas de espuma ou borracha de células fechadas.

A vedação de ar na base da parede onde a pista inferior encontra a laje do piso é outro local crítico. A lacuna entre a pista e a laje deve ser preenchida com uma fita de espuma compressível ou um selante elastomérica que também fornece algum valor isolante. Sem este detalhe, a pista de aço pode se tornar um caminho direto para condução de calor e movimento de ar.

3. Use a otimização estrutural para reduzir a densidade de aço

Quanto menos elementos de aço penetrarem no plano de isolamento, menor será a ligação térmica eficaz. Uma forma de reduzir a densidade do aço é ] aumentar o espaçamento de pregos de 16 polegadas no centro para 24 polegadas, usando aço de maior gase para manter a capacidade estrutural. Esta mudança reduz o número de pregos (e suas conexões associadas) em aproximadamente um terço. Da mesma forma, usando ] placas ou cintas contínuas de sola [] feitas de materiais de baixa condutividade (por exemplo, polímeros laminados de madeira ou fibra reforçadas) podem substituir algumas secções de aço em paredes não suportadas.

Outra estratégia emergente é design composto onde os pregos de aço são usados em combinação com materiais de revestimento estrutural (por exemplo, OSB ou compensado com tiras de aço) para reduzir o número de barras de aço completamente. Ao reduzir o número de pontos de conexão, a transmitância linear total é reduzida, e o desempenho total do envelope melhora.

4. Especificar sistemas de conexão de dois estágios

Os sistemas de ligação em duas fases separam a ligação estrutural da ruptura térmica. Por exemplo, um clipe de aço liga-se à estrutura principal utilizando um parafuso com uma manga de nylon que impede o contacto aço-a-aço no furo. Depois, um suporte secundário mantém o revestimento ou isolamento, e está ligado ao primeiro clipe através de um impasse de polímeros. Estes sistemas podem atingir valores muito baixos de Psi enquanto ainda transferem cargas. São particularmente valiosos para varandas, coberturas de telhado e pisos encantados onde grandes pontes térmicas podem dominar perdas de energia.

Os fabricantes europeus conduziram o desenvolvimento de tais sistemas, e muitos estão agora disponíveis na América do Norte. O custo inicial é superior a um suporte de aço simples, mas a poupança de energia sobre a vida do edifício - especialmente em climas mais frios - pode proporcionar um rápido retorno. Análises de custos de ciclo de vida pelo Steel Building Institute of America mostram que investir em conectores termicamente quebrados pode reduzir o consumo de energia de aquecimento em 5-15% em edifícios comerciais típicos.

Aplicação prática e conformidade de código

A adoção de detalhes de conexão termicamente eficientes não requer uma revisão completa das práticas de design. A maioria das estratégias descritas acima pode ser implementada modificando os detalhes padrão existentes. Por exemplo, substituir um ângulo contínuo de aço por uma série de clipes termicamente quebrados é uma pequena mudança nos desenhos da loja, mas produz uma melhoria mensurável no valor R. Da mesma forma, especificar uma faixa entalhada com uma inserção de ruptura térmica em vez de uma faixa padrão adiciona custo mínimo.

Para verificar o desempenho, as equipas de projecto devem solicitar ] relatórios de ensaios térmicos] dos fabricantes de ligações. Muitas empresas fornecem valores Psi derivados de modelos de elementos finitos ou de ensaios de caixas de aquecimento vigiados. Estes valores podem ser ligados a softwares de simulação de energia de construção inteira (por exemplo, EnergyPlus, IESVE ou WUFI) para comparar o impacto energético de detalhes de ligações alternativas. Algumas jurisdições exigem agora documentação de redução de ligação térmica como parte da conformidade com o código energético, especialmente para edifícios que procuram certificações verdes avançadas, como Passive House ou LEED v4 ‘’Optimizar os créditos de desempenho energético.

É importante também coordenar com o engenheiro estrutural para garantir que os materiais de quebra térmica escolhidos tenham resistência e rigidez adequadas. Os materiais de polímero podem se arrastar sob carga sustentada ou suavizar em temperaturas elevadas, de modo que o projeto estrutural deve ser responsável por esses fatores. Os fabricantes fornecem curvas de deflexão de carga e classificações de temperatura que devem ser revistas.

Conclusão: O papel da conexão em envelopes de alto desempenho

A eficiência energética de um edifício de aço conformado a frio não é determinada apenas pelo valor R do isolamento ou pela estanqueidade do envelope. Os detalhes da ligação entre componentes de aço desempenham um papel igualmente crítico, controlando a ligação térmica nas interfaces onde o fluxo de calor é mais intenso. Ao compreender a física da condução através do aço, categorizando os tipos de ligação pelo seu desempenho térmico e aplicando estratégias de design comprovadas, tais como clipes termicamente quebrados, pistas descontínuas, isolamento externo contínuo e barreiras de ar integradas, os designers podem reduzir substancialmente as perdas de energia sem comprometer a integridade estrutural.

A indústria da construção civil está a avançar para padrões de desempenho mais elevados, e os detalhes da ligação não são mais um pensamento posterior. São parte integrante do design de envelopes térmicos. Arquitetos, engenheiros e empreiteiros que investem tempo na otimização dessas ligações não só alcançarão menores contas de energia e emissões de carbono reduzidas, mas também criarão edifícios mais resilientes, confortáveis e duráveis. À medida que a construção de aços formados a frio continua a evoluir, a ligação entre os detalhes da ligação e a eficiência energética só irá aumentar.

Para mais informações sobre o desempenho térmico dos conjuntos CFS, consultar a SFIA Technical Note “Minimizing Thermal Bridging in Cold-Formed Steel Walls” e o Manual de Fundamentos da ASHRAE, capítulo 27.]