Vidrio Low-E: una herramienta para la ingeniería de protección contra incendios

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Vidrio Low-E: una herramienta para la ingeniería de protección contra incendios

Por Jonathan Perricone, PE

El vidrio Low-E puede ser utilizado de manera efectiva y relativamente barata para proteger combustibles interiores del calor radiante, mejorando el desempeño de los espacios defendibles o las distancias de separación de los edificios que de otra manera son limitadas. Sin embargo, la comunidad de ingeniería debe aún capitalizar esta aplicación en la seguridad contra incendios.

En la última década, una nueva tecnología se ha vuelto cada vez más popular en su aplicación para ventanas comerciales y residenciales a fin de reducir los costos de la energía asociada a la ganancia del calor solar: el vidrio de baja emisividad o vidrio Low-E. El vidrio Low-E puede también ser utilizado de manera efectiva y relativamente barata para proteger combustibles interiores del calor radiante, mejorando el desempeño de los espacios defendibles o las distancias de separación de los edificios que de otra manera son limitadas. Sin embargo, la comunidad de ingeniería debe aún capitalizar esta aplicación en la seguridad contra incendios.

La protección de las aberturas exteriores respecto de la exposición al fuego ha sido una prioridad de los códigos y normas de seguridad contra incendios durante años. Las aberturas en muros exteriores permiten que el fuego se propague entre edificios en entornos urbanos y hacia el interior de las viviendas en la interfaz forestal/urbana. Este fenómeno fue decisivo en incontables incendios urbanos devastadores de siglos pasados. En la era moderna, las pérdidas asociadas con la exposición externa al fuego en la interfaz forestal/urbana son más frecuentes.

 

low e glass figure1 smallFigura 1: Propagación del fuego entre edificios como función de radiación térmica y del impacto de la llama directa.

low e glass figure2 smallFigura 2: Características de reflexión del calor en el vidrio Low-E.

low e glass figure3 smallFigura 3: Desempeño calculado del vidrio Low-E versus la placa de vidrio común.

El enfoque moderno sobre la protección de aberturas exteriores respecto del fuego se encuentra en NFPA 80A, Práctica recomendada para la protección de edificios contra la exposición a incendios exteriores, la cual establece parámetros que caracterizan al incendio de exposición, al edificio expuesto, y las características del sitio. A pesar de que algunos detalles han sido revisados con el paso de los años, los métodos básicos de cálculo se obtienen de “Radiación del Calor en Incendios y Separación de Edificios”, una investigación escrita por Margaret Law en 1963 y publicada por la Organización Conjunta de Investigaciones de Incendio en Londres. Law fue una de las primeras en caracterizar matemáticamente la propagación del fuego entre edificios como una función de la radiación térmica y del impacto directo de las llamas o de la exposición al hierro candente. En definitiva, el número y ubicación de las aberturas, junto con las distancias de separación entre la exposición y lo expuesto fueron identificados como los parámetros primarios de diseño en la protección contra incendios (ver Figura 1).

Finalmente, Law tuvo éxito en desarrollar un conjunto de reglas simples que regulan estos parámetros como método para minimizar el riesgo de propagación del fuego entre edificios. Estas reglas, que pueden encontrarse en las versiones actualizadas de la norma NFPA 80A y en el Código Internacional de Edificación, establecen un estándar legalmente exigible de calidad en la seguridad contra incendios, verificado y validado científicamente.

En 1998, el Laboratorio de Investigaciones de Incendio y Edilicias del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), junto con el Departamento de Ingeniería de Protección contra Incendios de la Universidad de Maryland (UMD), trabajaron en base al estudio de Law mediante la investigación del fenómeno de la rotura de vidrios inducido por la exposición a incendios exteriores. El esfuerzo fue motivado por los devastadores incendios de Oakland Hills de 1991, cuando los investigadores se dieron cuenta de que las ventanas rotas ofrecían un paso para la propagación del fuego desde la interfaz forestal/urbana hacia el interior de las viviendas. Las reglas de Law no podían aplicarse al problema debido a una simplificación crítica: los cálculos de transferencia de calor radiante utilizados en el método desarrollado por Law no asume la existencia de material sólido, como una ventana o una puerta en ninguna abertura exterior.

El enfoque tradicional de la protección de aberturas es el de utilizar materiales vidriados con certificación de resistencia al fuego que pueden absorber enormes cantidades de calor sin romperse mientras que simultáneamente minimizan la transmisión y la reflexión. El objetivo del estudio de NIST/UMD era el de descubrir una alternativa que refleje una gran proporción del calor radiante en comparación a lo que absorbe y transmite, brindándole a los propietarios de viviendas métodos simples y efectivos para proteger ventanas exteriores de la exposición al fuego.

Los resultados de la investigación, basada en una serie de experimentos a pequeña y gran escala diseñados para medir el desempeño térmico y mecánico de varios conjuntos de montaje de ventanas, materiales vidriados, y tratamientos de protección expuestos a un flujo de calor radiante estacionario y uniforme, indicó que una cubierta de papel de aluminio sobre el vidrio servía sorprendentemente de escudo efectivo para la radiación. Sin embargo, la posibilidad de efectuar un tratamiento de papel de aluminio como cubierta de protección sobre las ventanas era cuestionable tanto en la construcción residencial como en la comercial.

En la década que siguió a la publicación del estudio de NIST/UMD, el vidrio Low-E, que se comporta térmicamente de la misma manera que la cubierta de papel de aluminio, se ha vuelto frecuente en la construcción de edificios. El vidrio Low-E es tratado para producir una absorción de calor muy baja y en consecuencia cuenta con excelentes características de reflexión de calor (Figura 2). Es producido mediante la introducción de metal o láminas de óxido de metal dentro del vidrio durante el proceso de fabricación, obteniendo un material que estéticamente no es diferente al de las placas de vidrio común.

La mejorada protección contra incendios que ofrece el vidrio de baja emisividad estaría limitada a aplicaciones donde el material es utilizado puramente como escudo radiante—eso significa, que no existe contacto directo con la llama. Esto incluye tanto la construcción en la interfaz forestal/urbana, donde una llama alta emite radiación desde una cierta distancia en frente de un espacio defendible, como también proyectos urbanos donde hay suficiente separación para asumir que no existe contacto directo con la llama. En dicha aplicación, esta alternativa de diseño que aplica el vidrio con certificación de resistencia a incendios, es particularmente atractiva por su precio.

Puede verse una ilustración del desempeño estimado del vidrio Low-E, versus la placa de vidrio común, bajo idéntica exposición al calor radiante, en la Figura 3. Se asume que la exposición es estacionaria y uniforme; que es característica del calor radiante incidente generado a cierta distancia de lo expuesto. La carga de calor radiante es seleccionada como 1,50 W/cm2, lo cual es 20 por ciento mayor que un flujo de calor crítico referenciado comúnmente para la ignición mediante llama piloto de madera expuesta. Se asume que la emisividad del vidrio Low-E es de un 25 por ciento de la magnitud asumida para la placa de vidrio común. Como lo demuestra la Figura 3, el resultado de esto es la absorción de calor drásticamente menor en el vidrio. Tanto la tasa de aumento de temperatura como la temperatura máxima en estado estacionario alcanzada son drásticamente menores en el vidrio Low-E que en el vidrio utilizado para la placa de vidrio común.

El desempeño es casi equivalente cuando la muestra de vidrio Low-E es expuesta a un flujo de calor radiante incidente tres veces mayor que la exposición de la placa de vidrio. Este es un resultado muy importante cuando uno considera que el calor radiante incidente es una función muy fuerte de la distancia de separación entre la exposición y lo expuesto. La conclusión más importante que puede obtenerse de la Figura 3 es que el vidrio Low-E es suficiente para mantener combustibles ordinarios por debajo de los 320ºF (150ºC) bajo la exposición dada a altas temperaturas. No puede decirse lo mismo de las placas comunes de vidrio.

Los cálculos estimados en la Figura 3 no abordan directamente el potencial de rotura de los vidrios, que puede ocurrir en las placas de vidrio común bajo estas condiciones de exposición. La rotura del vidrio Low-E no sería esperable bajo las condiciones de carga dadas debido al mínimo aumento de la temperatura.

Una ruta emocionante para la ingeniería en cuanto a la investigación de ingeniería futura es el potencial para aumentar la fuerza del escudo radiante mediante la colocación de múltiples capas o láminas en serie. La analogía del circuito eléctrico es un buen ejemplo de cómo trabaja esta teoría. Un escudo radiante resiste el flujo de calor de manera bastante similar en que una resistencia eléctrica se comporta respecto de la corriente eléctrica. Un aumento en el número de escudos o láminas reducirá drásticamente el flujo de calor a través de la abertura, de la misma manera en que se comporta un circuito eléctrico.

Es claro que existe un beneficio potencial muy significativo en el uso del vidrio Low-E para proteger aberturas exteriores. Sin embargo, se debe ejercer precaución en esta aplicación. Cuando se fabrica el vidrio Low-E en forma de capa blanda, se aplica un delgado recubrimiento con propiedades de baja emisividad a uno de los lados del vidrio. Si tal vidrio es utilizado para la protección de aberturas exteriores, el lado recubierto debe ser el expuesto. Si el lado recubierto queda instalado del lado interior del edificio, el vidrio se calentará en realidad más rápidamente y se romperá más pronto que la placa de vidrio común.

Además, el vidrio Low-E no es un método efectivo de protección de aberturas interiores, el cual requiere resistencia tanto a exposiciones de calor uniformes como no uniformes en la superficie del vidrio. Ejemplos del último se encuentran presentes en edificios que incluyen el contacto directo con la llama, tanto como la exposición simultánea a una capa superior de gas caliente como a una capa inferior fría de aire fresco. El vidrio Low-E no ofrece una ventaja distintiva sobre la placa de vidrio común en estos escenarios donde es crítica la habilidad para absorber el calor.

El vidrio Low-E es simplemente un ejemplo de cómo las nuevas tecnologías que originalmente estaban previstas para su uso en otras disciplinas pueden aplicarse a los desafíos modernos de la protección contra incendios. La creciente popularidad de este producto con fines de conservación de energía ofrece una oportunidad útil de mejorar al mismo tiempo la protección de sus usuarios de los riesgos del fuego, particularmente en aplicaciones de interfaz forestal/urbana donde la necesidad de soluciones de ingeniería efectivas y de bajo costo es inmediata.

Jonathan Perricone, PE, es ingeniero en Schirmer Engineering en San Diego, California.

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