Zapatas de cimentación poco profundas protegidas contra heladas
¿Qué son las zapatas poco profundas protegidas contra heladas y por qué se utilizan?
La mayoría de los códigos de construcción en climas fríos requieren que los cimientos se coloquen debajo de la línea de congelación, que puede tener aproximadamente 4 pies de profundidad en el norte de los Estados Unidos. El objetivo es proteger los cimientos de las heladas.
Hay una excepción a esta norma: muchos códigos permiten que los cimientos se encuentren por encima de la línea de congelación siempre que estén 'protegidos de las heladas'. Sin embargo, la aprobación depende de los funcionarios del código local y puede requerir ingeniería especial. La edición de 1995 del Código de viviendas unifamiliares y bifamiliares del Council of American Building Officials (CABO) incluye pautas simplificadas para la construcción de viviendas con losas a nivel con cimientos poco profundos que están protegidos de las heladas mediante aislamiento de espuma rígida.
Una cimentación superficial protegida contra heladas (FPSF) es una alternativa práctica a las cimentaciones más profundas y costosas en regiones frías con congelación estacional del suelo y el potencial de levantamiento por heladas.
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La figura 1 muestra un FPSF y una base convencional. Un FPSF incorpora un aislamiento estratégicamente colocado para aumentar la profundidad de las heladas alrededor de un edificio, lo que permite profundidades de cimientos de hasta 16 pulgadas, incluso en los climas más severos. El uso más extenso ha sido en los países nórdicos, donde se han construido con éxito más de un millón de hogares FPSF durante los últimos 40 años. El FPSF se considera una práctica estándar para edificios residenciales en Escandinavia.
Cómo funciona FPSF
La tecnología de cimientos superficiales protegidos contra heladas reconoce la interacción térmica de los cimientos del edificio con el suelo. El aporte de calor al suelo desde los edificios eleva efectivamente la profundidad de las heladas en el perímetro de los cimientos. Este efecto y otras condiciones que regulan la penetración de las heladas en el suelo se ilustran en la Figura 2.
Es importante tener en cuenta que la línea de escarcha se eleva cerca de una base si el edificio se calienta. Este efecto se magnifica cuando el aislamiento se coloca estratégicamente alrededor de la base. El FPSF también funciona en un edificio sin calefacción conservando el calor geotérmico debajo del edificio. Las áreas sin calefacción de las casas, como los garajes, se pueden construir de esta manera.
La Figura 3 ilustra el proceso de intercambio de calor en un FPSF, que da como resultado una mayor profundidad de escarcha alrededor del edificio. El aislamiento alrededor del perímetro de la base conserva y redirige la pérdida de calor a través de la losa hacia el suelo debajo de la base. El calor geotérmico del suelo subyacente también ayuda a aumentar la profundidad de las heladas alrededor del edificio.
Los FPSF son más adecuados para viviendas con losas a nivel en sitios con pendientes de moderadas a bajas. Sin embargo, el método se puede utilizar de manera eficaz con sótanos de salida al aislar los cimientos en el lado cuesta abajo de la casa, eliminando así la necesidad de una base escalonada. Los FPSF también son útiles para proyectos de remodelación en parte porque minimizan la perturbación del sitio. Además de los edificios residenciales, comerciales y agrícolas, la tecnología se ha aplicado a carreteras, presas, servicios públicos subterráneos, ferrocarriles y terraplenes de tierra.
Preguntas y respuestas más comunes
Pregunta No. 1: ¿Cómo evita el aislamiento que ocurra el levantamiento de escarcha?
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El levantamiento de escarcha solo puede ocurrir cuando están presentes las siguientes tres condiciones: 1) el suelo es susceptible a las heladas (gran fracción de limo), 2) hay suficiente humedad disponible (el suelo está por encima de aproximadamente el 80 por ciento de saturación) y 3) subcongelación las temperaturas están penetrando el suelo. Eliminar uno de estos factores anulará la posibilidad de daño por heladas. El aislamiento requerido en esta guía de diseño evitará que el suelo subyacente se congele (una pulgada de aislamiento de poliestireno, R4.5, tiene un valor R equivalente de aproximadamente 4 pies de tierra en promedio). El uso de aislamiento es particularmente efectivo en los cimientos de un edificio por varias razones. Primero, la pérdida de calor se minimiza mientras se almacena y dirige el calor al suelo de la cimentación, no a través de la cara vertical de la pared de la cimentación. En segundo lugar, el aislamiento horizontal que se proyecta hacia afuera eliminará la humedad de la base minimizando aún más el riesgo de daños por heladas. Finalmente, debido al aislamiento, la línea de escarcha se elevará a medida que se acerque a los cimientos. Dado que las fuerzas de levantamiento de las heladas actúan perpendiculares a la línea de congelación, las fuerzas de levantamiento, si están presentes, actuarán en una dirección horizontal y no hacia arriba.
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Pregunta No. 2: ¿El tipo de suelo o la cobertura del suelo (por ejemplo, nieve) afectan la cantidad de aislamiento requerido?
Por diseño, los requisitos de aislamiento propuestos se basan en la condición del suelo en el peor de los casos, sin nieve o cubierta orgánica en el suelo. Asimismo, el aislamiento recomendado evitará eficazmente la congelación de todos los suelos susceptibles a las heladas. Debido al calor absorbido (calor latente) durante la congelación del agua (cambio de fase), el aumento de la cantidad de agua del suelo tenderá a moderar la penetración de la escarcha o el cambio de temperatura de la masa de agua del suelo. Dado que el agua del suelo aumenta la capacidad calorífica del suelo, aumenta aún más la resistencia a la congelación al aumentar la 'masa térmica' del suelo y agregar un efecto de calor latente significativo. Por lo tanto, los requisitos de aislamiento propuestos se basan en una condición de suelo limoso en el peor de los casos con suficiente humedad para permitir que la escarcha se eleve, pero no tanto como para hacer que el suelo mismo resista drásticamente la penetración de la línea de escarcha. En realidad, un suelo de grano grueso (no susceptible a las heladas) que tiene poca humedad se congelará más rápido y más profundamente, pero sin posibilidad de daño por heladas. Por lo tanto, las recomendaciones de aislamiento propuestas mitigan eficazmente el levantamiento de las heladas para todos los tipos de suelo bajo diferentes condiciones de humedad y superficie.
Pregunta No. 3: ¿Cuánto tiempo protegerá el aislamiento la base?
Esta pregunta es muy importante a la hora de proteger viviendas u otras estructuras que tienen una larga esperanza de vida. La capacidad del aislamiento para funcionar en condiciones subterráneas depende del tipo de producto, el grado y la resistencia a la humedad. En Europa, el aislamiento de poliestireno se ha utilizado para proteger los cimientos durante casi 40 años sin experiencia de heladas. Por lo tanto, con un ajuste adecuado de los valores R para las condiciones de servicio subterráneo, tanto el poliestireno extruido (XPS) como el poliestireno expandido (EPS) se pueden utilizar con garantía de rendimiento. En los Estados Unidos, XPS se ha estudiado para proyectos de carreteras y oleoductos en Alaska, y se ha descubierto que después de 20 años de servicio y al menos 5 años de inmersión en agua, el XPS mantuvo su valor R (ref. McFadden y Bennett , Construcción en regiones frías: una guía para planificadores, ingenieros, contratistas y gerentes, J. Wiley & Sons, Inc., 1991, págs. 328-329). Por razones de garantía de calidad, tanto XPS como EPS pueden identificarse fácilmente mediante el etiquetado correspondiente a las normas ASTM actuales.
Pregunta No. 4: ¿Qué sucede si el sistema de calefacción falla por un tiempo durante el invierno?
Para todo tipo de construcción, la pérdida de calor a través del piso de un edificio contribuye al almacenamiento de calor geotérmico debajo del edificio, que durante el invierno se libera en el perímetro de los cimientos. El uso de zapatas aisladas regulará eficazmente la pérdida de calor almacenado y retardará la penetración de la línea de congelación durante un período de falla o retroceso del sistema de calefacción. Los cimientos convencionales, normalmente con menos aislamiento, no ofrecen este nivel de protección y la escarcha puede penetrar más rápidamente a través de la pared del cimiento y en áreas interiores debajo de la losa del piso. Con la congelación de anuncios (la unión congelada entre el agua en el suelo y la pared de los cimientos), la escarcha no necesita penetrar debajo de las zapatas para ser peligrosa para la construcción ligera. En este sentido, las zapatas protegidas contra heladas son más efectivas para prevenir daños por heladas. Los requisitos de aislamiento propuestos se basan en información climática de alta precisión verificada por hasta 86 años de registros de heladas invernales para más de 3.000 estaciones meteorológicas en los Estados Unidos. El aislamiento está dimensionado para evitar la congelación del suelo de los cimientos durante un período de retorno de 100 años con una condición particularmente rigurosa de ausencia de nieve o cobertura del suelo. Incluso entonces, es muy poco probable que durante un evento de este tipo no haya capa de nieve, humedad del suelo suficientemente alta y una pérdida prolongada de calor del edificio.
Pregunta No. 5: ¿Por qué se necesitan mayores cantidades de aislamiento en las esquinas de los cimientos?
La pérdida de calor se produce hacia afuera desde las paredes de los cimientos y, por lo tanto, se intensifica en la proximidad de una esquina exterior debido a la pérdida de calor combinada de dos superficies de pared adyacentes. En consecuencia, para proteger las esquinas de los cimientos del daño por heladas, se requieren mayores cantidades de aislamiento en las regiones de las esquinas. Por lo tanto, un diseño de zapata aislada proporcionará protección adicional en las esquinas donde el riesgo de daños por heladas es mayor.
Pregunta No. 6: ¿Qué experiencia ha tenido Estados Unidos con esta tecnología?
Las zapatas aisladas protegidas contra heladas fueron utilizadas ya en la década de 1930 por Frank Lloyd Wright en el área de Chicago. Pero desde entonces, los europeos han liderado la aplicación de este concepto durante los últimos 40 años. Ahora hay más de 1 millón de hogares en Noruega, Suecia y Finlandia con zapatas aisladas poco profundas que están reconocidas en los códigos de construcción como una práctica estándar. En los Estados Unidos, el aislamiento se ha utilizado para evitar el levantamiento de las heladas en muchos proyectos de ingeniería especiales (es decir, carreteras, presas, tuberías y edificios de ingeniería). Su uso en cimientos de viviendas ha sido aceptado por los códigos locales en Alaska, y ha tenido un uso disperso en áreas no codificadas de otros estados. Es probable que haya varios miles de hogares con variaciones de zapatas aisladas protegidas contra heladas en los Estados Unidos (incluida Alaska).
Para verificar la tecnología en los Estados Unidos, se construyeron cinco hogares de prueba en Vermont, Iowa, Dakota del Norte y Alaska. Las casas fueron equipadas con sistemas de adquisición de datos automatizados para monitorear las temperaturas del suelo, los cimientos, losas, interiores y exteriores en varios lugares alrededor de los cimientos. El rendimiento observado estuvo de acuerdo con la experiencia europea en el sentido de que las zapatas aisladas impidieron que el suelo de los cimientos se congelara y se agitara incluso en condiciones climáticas y de suelo rigurosas (ref. Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano de EE. UU., 'Cimentaciones superficiales protegidas contra heladas para construcción residencial' , Washington, DC, 1993).
Pregunta No. 7: ¿Cuán eficientes energéticamente y cómodas son las bases de losas con zapatas protegidas contra heladas?
Los requisitos de aislamiento para zapatas protegidas contra heladas son requisitos mínimos para evitar daños por heladas. Los requisitos proporcionarán un nivel satisfactorio de eficiencia energética, comodidad y protección contra la condensación de humedad. Dado que estos requisitos son mínimos, se puede aplicar aislamiento adicional para cumplir con objetivos especiales de comodidad o códigos de energía más estrictos.
Problemas de construcción de FPSF
Estos problemas se aplican a la construcción de cualquier FPSF:
Puentes fríos . Los puentes fríos se crean cuando los materiales de construcción con alta conductividad térmica, como el hormigón, se exponen directamente a las temperaturas exteriores. El aislamiento de la cimentación debe colocarse de manera que se mantenga la continuidad con el aislamiento de la envolvente de la casa. Los puentes fríos pueden aumentar la posibilidad de que se produzcan heladas o, al menos, crear temperaturas más bajas localizadas o condensación en la superficie de la losa. Se debe tener cuidado durante la construcción para asegurar la instalación adecuada del aislamiento.
Drenaje . Un buen drenaje es importante con cualquier base y FPSF no es una excepción. El aislamiento funciona mejor en suelos más secos. Asegúrese de que el aislamiento del suelo esté adecuadamente protegido de la humedad excesiva mediante prácticas de drenaje sólidas, como inclinar la pendiente lejos del edificio.
El aislamiento siempre debe colocarse por encima del nivel del nivel freático. . Se recomienda una capa de grava, arena o material similar para mejorar el drenaje y para proporcionar una superficie lisa para la colocación de cualquier aislamiento de ala horizontal. Se requiere una capa de drenaje mínima de 6 pulgadas para los diseños FPSF sin calefacción. Más allá de la profundidad de cimentación mínima de 12 pulgadas requerida por los códigos de construcción, la profundidad de cimentación adicional requerida por un diseño FPSF puede estar compuesta de material de relleno compactado, no susceptible a las heladas, como grava, arena o roca triturada.
Sellado de grietas finas en el hormigón.
Temperaturas de la superficie de la losa (humedad, comodidad y eficiencia energética). Los niveles mínimos de aislamiento prescritos en este procedimiento de diseño protegen el suelo de los cimientos de las heladas. También proporcionan temperaturas satisfactorias en la superficie de la losa para evitar la condensación de humedad y satisfacer un grado mínimo de confort térmico. Dado que el procedimiento de diseño proporciona requisitos mínimos de aislamiento, el aislamiento de la base puede aumentarse para satisfacer las necesidades especiales relacionadas con estos problemas y la eficiencia energética. Limitar con éxito los puentes en frío es fundamental: el uso de la técnica de la losa y la pared del vástago, en efecto, agrega una segunda rotura térmica entre la losa y la pared del vástago. Aumentar el espesor del aislamiento de la pared vertical por encima de los requisitos mínimos de protección contra heladas también mejorará la eficiencia energética y el confort térmico. La selección de un material de acabado para el piso, como una alfombra, reduce el contacto de la superficie entre el ocupante y la losa, lo que proporciona una sensación más cálida.
Losas calefactadas y eficiencia energética . El procedimiento de diseño FPSF se puede aplicar a todas las técnicas de losa a nivel, incluidas aquellas con calor dentro de la losa que proporcionan un excelente confort térmico. Si se utiliza un sistema de calefacción en losa, se recomienda un aislamiento adicional debajo de la losa y alrededor del perímetro para mejorar la eficiencia energética.
Protegiendo el aislamiento . Debido a que el aislamiento de la pared vertical alrededor de los cimientos se extiende sobre el nivel del suelo y está sujeto a radiación ultravioleta y abuso físico, esa parte debe protegerse con un revestimiento o cobertura que sea resistente y duradero. Algunos métodos a considerar son un sistema de acabado de estuco o revestimientos similares con brocha, productos de aislamiento pre-revestidos, tapajuntas y madera contrachapada tratada a presión. El constructor siempre debe verificar que dichos materiales sean compatibles con la placa aislante. El acabado protector debe aplicarse antes de rellenar, ya que debe extenderse al menos cuatro pulgadas por debajo del nivel. Además, el aislamiento de poliestireno se descompone fácilmente con disolventes de hidrocarburos como gasolina, benceno, combustible diesel y alquitrán. Se debe tener cuidado para evitar daños en el aislamiento durante la manipulación, el almacenamiento y el relleno. Además, cuando las termitas son una preocupación, se sugiere una práctica preventiva estándar como el tratamiento del suelo, protectores de termitas, etc.
Especificaciones de aislamiento . Debido a que algunos materiales aislantes resisten la absorción de agua con menos eficacia que otros, lo que a su vez degrada su resistencia térmica (valores R), el material aislante debe especificarse con cuidado. Se utilizarán los siguientes valores R efectivos para determinar los espesores de aislamiento requeridos para esta aplicación: Poliestireno expandido Tipo II - 2.4 R por pulgada Poliestireno extruido Tipos IV, V, VI, VII - 4.5 R por pulgada Poliestireno expandido Tipo IX - 3.2 R por pulgada. Las aplicaciones especiales, como soportar cargas estructurales de zapatas, pueden requerir poliestirenos de mayor densidad para las resistencias a la compresión requeridas. Se remite al constructor a los fabricantes para obtener información específica del producto.
Puertas y umbrales . En las puertas donde el umbral sobresale del aislamiento de la pared vertical, el aislamiento debe cortarse según sea necesario para proporcionar un bloqueo sólido para el apoyo y la fijación adecuados del umbral. Se debe minimizar el tamaño de los recortes.
Paisajismo y aislamiento de alas. En situaciones donde se requiere un aislamiento de ala horizontal ancha (por ejemplo, más de 3 a 4 pies de ancho), esto puede disuadir la ubicación de grandes plantaciones cerca de la casa. En algunos de estos casos, el uso de un aislamiento de ala más grueso o el aumento de la profundidad de la base disminuirá el ancho requerido del aislamiento del ala.
Altura de la fundación . Dado que la mayoría de los paneles aislantes de poliestireno están disponibles en anchos de 24 y 48 pulgadas, 24 pulgadas se convierte en una altura práctica para muchos cimientos. Esto proporciona 16 pulgadas de la base por debajo del nivel y 8 pulgadas por encima del nivel.
Excavación . Generalmente, el equipo liviano es adecuado para FPSF porque se requiere poca excavación. Al igual que con cualquier cimiento, las capas de suelo orgánico (tierra superior) deben eliminarse para permitir que el cimiento se apoye sobre suelo firme o rellenos compactados.
Programación de obras. Los cimientos deben estar terminados y el edificio cerrado y calentado antes del clima helado, similar a la práctica de construcción convencional.
