La mayoría de los problemas con los tejados fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV) no se deben a cálculos estructurales incorrectos, sino a una secuencia de diseño incorrecta.
Un enfoque común es disponer las correas según el diseño del edificio, elegir un espaciado conveniente de números redondos (como 1,5 mo 1,2 m) y luego instalar los módulos fotovoltaicos en la parte superior. A mitad de la instalación, el equipo puede descubrir que un punto de soporte se encuentra a menos de 100 mm del borde de un módulo, o que un sujetador aterriza en un área débil del marco del módulo. Es necesario revisar los dibujos, repetir los cálculos y el cronograma del proyecto puede retrasarse dos semanas.
La secuencia correcta es la inversa: primero determine las dimensiones del módulo, establezca el número de líneas de soporte, calcule el espaciado de las correas y solo luego seleccione las secciones de las correas.
Esta guía explica todo el proceso, proporciona rangos de referencia para el espaciamiento de las correas, los tamaños de las secciones y el consumo de acero, y muestra por qué la deflexión a menudo se convierte en la restricción gobernante del diseño antes que la resistencia.
Las dimensiones del módulo fotovoltaico determinan las líneas de soporte, que determinan el espaciado de las correas
Dos acuerdos de apoyo básicos
Un módulo fotovoltaico de 2278 × 1134 mm se puede soportar sobre correas en dos configuraciones básicas.
| Acuerdo de soporte | Orientación del módulo | Bordes soportados | Espaciado de correas |
| Soporte de borde largo | Orientación horizontal | Dos bordes largos | Igual al lado corto del módulo, aproximadamente 1,13 m |
| Soporte de borde corto | Orientación vertical | Dos bordes cortos | Igual al lado largo del módulo, aproximadamente 2,28 m |
El espaciado de las correas no es una elección de diseño arbitraria; se deriva del diseño del módulo. Con una medida del lado corto del módulo de 1.134 mm, la distancia correspondiente es de aproximadamente 1,13 m. Con una dimensión de lado longitudinal de 2.278 mm, su longitud es de aproximadamente 2,28 m. No hay una línea de soporte intermedia en ninguna de las disposiciones básicas a menos que se agregue un tercer soporte.
¿Cuándo se requieren tres líneas de apoyo?
Para luces grandes, cargas de viento fuertes o módulos más pesados, el soporte de dos puntos puede ser insuficiente. Una solución es agregar una correa debajo de la mitad del módulo, dividiendo el tramo original en dos tramos.
Con una correa central agregada, el espacio entre las líneas de soporte se vuelve de aproximadamente 1,14 mo 1,13 m, produciendo una configuración similar al soporte de borde largo. La desventaja es que se requieren más correas, lo que aumenta el consumo total de acero.
Restricciones de distancia al borde
Se debe mantener una distancia suficiente entre el borde del módulo y la línea central de la correa. Las abrazaderas típicas tienen un ancho de agarre efectivo de aproximadamente 30 a 40 mm. Si la línea central de la correa está demasiado cerca del borde del módulo, es posible que la abrazadera no se sujete firmemente. Si está demasiado lejos, el voladizo del módulo se vuelve excesivo, aumentando el riesgo de deformación en las esquinas debido al viento.
Una práctica común en la industria es colocar la línea central de la correa entre 50 y 100 mm hacia adentro desde el borde del módulo, asegurando al mismo tiempo que el saliente no exceda un quinto de la dimensión del lado corto del módulo.
Cómo afecta el espaciado de las correas a la selección de la sección
Cuando el espaciamiento de las correas se duplica, la carga lineal soportada por cada correa también se duplica, suponiendo la misma carga superficial. El tamaño de la sección debe aumentarse en consecuencia.
| Espaciado de correas | Sección típica | Peso Teórico | Consumo de acero por unidad de área | Notas |
| 1,13 metros | C160 × 60 × 20 × 2,5 | Aprox. 6,3 kg/m | Aprox. 5,5 kg/m² | Más correas, menor carga por miembro y manejo más fácil durante la instalación |
| 1,50 metros | C180 × 70 × 20 × 2,5 | Aprox. 7,1 kg/m | Aprox. 4,7 kg/m² | Una solución de compromiso; Se debe comprobar la deflexión. |
| 2,28 metros | C220 × 70 × 20 × 3,0 | Aprox. 9,4 kg/m | Aprox. 4,1 kg/m² | Menos correas, mayor carga por miembro; La deflexión puede convertirse en el factor limitante. |
Basado únicamente en el consumo de acero, el soporte de borde corto con un espaciamiento de 2,28 m parece más económico con aproximadamente 4,1 kg/m², más del 20% menos que los 5,5 kg/m² asociados con el soporte de borde largo.
Sin embargo, esta cifra no debe considerarse de forma aislada. La razón queda clara en la siguiente sección.
Deflexión: el límite que se puede alcanzar antes de que la fuerza se vuelva crítica
¿Cómo se determina el límite de deflexión?
Para correas de techo en condiciones normales de servicio, un límite industrial comúnmente utilizado es L/200. Algunos proyectos con requisitos más estrictos de impermeabilización y resistencia al viento pueden adoptar L/250.
Para un proyecto con una luz de 7,5 m, L/200 permite una flecha de sólo 37,5 mm. Para una luz de 9 m, el límite es de 45 mm. Estos márgenes son relativamente restrictivos para los miembros de acero.
¿Por qué duplicar el espacio entre correas hace que la deflexión sea más difícil de controlar?
La deflexión es proporcional a la carga uniformemente distribuida e inversamente proporcional al segundo momento de área del miembro, suponiendo las mismas condiciones de luz y apoyo.
Cuando el espaciamiento de las correas aumenta de 1,13 ma 2,28 m, la carga lineal en cada correa aproximadamente se duplica, al igual que la deflexión en condiciones que de otro modo no cambiarían. Aumentar la sección de C160 a C220 proporciona sólo un aumento limitado en el segundo momento del área, que puede no compensar completamente la carga adicional.
Como resultado, la verificación de resistencia aún puede satisfacer el límite permitido mientras que la verificación de deflexión falla. Este es uno de los problemas de diseño de correas de techo más comunes y a menudo se descubre sólo durante las revisiones de los planos.
¿Por qué los requisitos de deflexión son más estrictos para los techos BIPV?
En un sistema fotovoltaico aplicado a edificios (BAPV), los módulos fotovoltaicos se montan en una estructura de soporte que luego se fija al techo metálico. Una deflexión excesiva puede comprometer los sellos entre la estructura de soporte y los paneles del techo, creando un problema de mantenimiento que a veces puede solucionarse resellando o reemplazando las juntas.
En un sistema BIPV, Los propios módulos fotovoltaicos forman parte de la envolvente del tejado.. Si una correa se desvía 5 mm, la junta del panel puede abrirse 5 mm. La continuidad de la impermeabilización depende de la rigidez estructural así como de los detalles de sellado.
Esta es la razón por la que los techos BIPV a menudo requieren un control de deflexión más estricto que los techos metálicos convencionales, y por qué las disposiciones de soporte de borde corto pueden rechazarse en proyectos con grandes espacios entre columnas.
Tres restricciones adicionales que pueden cambiar el espaciamiento de las correas
Espaciado de columnas
La luz de las correas está determinada por el espacio entre las columnas del marco principal. Las distancias entre columnas de 6 m, 7,5 my 9 m son opciones habituales para los edificios industriales.
A medida que aumenta el espaciamiento de las columnas, la luz de las correas se hace más larga, lo que generalmente requiere secciones más profundas y aumenta el consumo de acero. Por lo tanto, la separación de las correas debe seleccionarse en el marco de la disposición de columnas establecida y no de forma independiente.
Juntas de módulos fotovoltaicos
Las posiciones de las correas deben alinearse con las uniones entre los módulos fotovoltaicos. Si una correa cae directamente debajo de la mitad de un módulo, los sujetadores pueden aterrizar en un área sin soporte de la lámina posterior del módulo, lo que hace que la conexión dependa de la sujeción y reduzca potencialmente la rigidez de la junta.
Durante el diseño del panel, primero marque las líneas de unión del módulo y luego establezca las líneas centrales de las correas. Esta secuencia no debe invertirse.
Movimiento Térmico
Cuando las temperaturas del techo alcanzan los 70°C, las correas de acero y los marcos de los módulos de aluminio se expanden a ritmos diferentes porque sus coeficientes de expansión térmica difieren. Por tanto, su expansión longitudinal no es idéntica. Un enfoque de ingeniería común es incorporar detalles deslizantes a lo largo de la dirección longitudinal, permitiendo un movimiento relativo limitado entre los módulos y las correas.
Un espaciado excesivamente estrecho entre correas puede restringir este movimiento y aumentar las tensiones de restricción en los marcos de los módulos. Por lo tanto, un espaciamiento más estrecho entre correas no significa automáticamente un diseño más seguro.
Un ejemplo completo de selección de correas
Condiciones supuestas: una distancia entre columnas de 7,5 m, un techo BIPV integrado, módulos fotovoltaicos de 2278 × 1134 mm y un proyecto ubicado en una zona de presión de viento moderada.
Paso 1: seleccione el acuerdo de soporte. Una distancia entre columnas de 7,5 m es relativamente grande. Con un soporte de borde corto y una separación entre correas de 2,28 m, la deflexión puede ser difícil de controlar bajo un límite de L/200. Por ello se elige un soporte longitudinal en orientación horizontal con una distancia entre correas de 1,13 m.
Paso 2: seleccione la sección de correa. Utilizando una carga muerta de 20 kg/m², una carga viva de mantenimiento de 0,5 kN/m² y las combinaciones de carga de viento locales aplicables, calcule la carga de línea y seleccione una sección C160 × 60 × 20 × 2,5. Si la presión del viento es mayor, actualice a C180 × 70 × 20 × 2,5.
Paso 3: verificar la desviación. Para una luz de 7,5 m, el límite L/200 es de 37,5 mm. Verifique la deflexión bajo las combinaciones de carga aplicables y confirme que permanece dentro del límite permitido.
Paso 4: Alinee las juntas del módulo. Disponga los módulos utilizando un módulo de disposición de 1.134 mm. Alinee las líneas centrales de las correas con las líneas de unión del módulo, con una tolerancia de posicionamiento objetivo de ±5 mm.
Paso 5: Complete los dibujos de diseño. Indique claramente el espaciado de las correas, las especificaciones de las secciones, las posiciones de los sujetadores, los extremos deslizantes y los extremos fijos.
Seguir esta secuencia ayuda a reducir la probabilidad de revisiones del diseño durante las revisiones de los dibujos.
Preguntas frecuentes
P1: ¿Cuál es el espacio típico entre las correas del techo?
Un rango industrial común es de 1,0 a 1,5 m. La separación real depende de las dimensiones de los módulos, la disposición de los soportes y las combinaciones de carga. Para un módulo con un lado corto de 1.134 mm, el soporte del borde largo corresponde a una distancia de aproximadamente 1,13 m. El apoyo del borde corto, con una dimensión del lado largo de 2278 mm, corresponde aproximadamente a 2,28 m, lo que excede el rango habitual y requiere una verificación de flexión por separado.
P2: ¿Un espaciamiento más pequeño entre correas siempre hace que el techo sea más seguro?
No. Un espaciamiento más pequeño significa más correas y un mayor consumo de acero. También puede restringir el movimiento deslizante necesario para dar cabida a la expansión térmica, aumentando las tensiones de restricción en los marcos del módulo. El enfoque correcto es satisfacer simultáneamente los requisitos de deflexión, resistencia y movimiento térmico.
P3: ¿Puede un techo BIPV utilizar el mismo diseño de correas que un techo metálico convencional?
Esto no se recomienda sin una revisión de diseño específica. Los límites de deflexión para los techos metálicos convencionales abordan principalmente el drenaje y la apariencia, mientras que los techos BIPV también deben mantener la continuidad entre los módulos fotovoltaicos y el sistema de impermeabilización. La misma disposición de correas puede ser adecuada para BAPV pero puede causar que las juntas de los paneles se abran excesivamente en una aplicación BIPV.
P4: ¿Se deben agregar correas o espaciarlas más estrechamente al modernizar BIPV en el techo de una fábrica existente?
La estructura existente debe reevaluarse en función de las cargas de diseño originales y su condición de corrosión actual. La experiencia de la industria sugiere que menos de la mitad de los techos metálicos existentes pasan las comprobaciones de capacidad estructural requeridas para las modernizaciones fotovoltaicas. Cuando una estructura falla, puede ser necesario reforzarlo, incluido aumentar la capacidad de los miembros, agregar soportes o reemplazar correas. Estas medidas pueden representar entre el 15% y el 25% del presupuesto de modernización.
La integración de las cargas muertas fotovoltaicas y las cargas vivas de mantenimiento en la etapa de diseño estructural puede reducir el consumo total de acero aproximadamente entre un 8% y un 12% en comparación con un diseño que requiere refuerzo posterior. Este ahorro estimado resulta de los efectos combinados de los detalles de conexión compartidos, la optimización de la sección y el diseño integrado del techo. Excluye diferencias en el coste de los propios módulos fotovoltaicos.
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