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Diseñando su arreglo solar para cargas por viento

Wind Design

Aprenda acerca de normativas solares y cómo aplicar las mejores prácticas en su proyecto

Diseñar una estructura sólida para un arreglo solar es uno de los más grandes retos para los contratistas solares hoy en día. Los arreglos solares pueden estar expuestos a las peores condiciones climáticas; incluyendo huracanes, nieve y granizo. Estos sistemas necesitan ser capaces de soportar las cargas de viento presentes en los lugares específicos donde están instalados, si es que se desea que permanezcan en servicio hasta por 25 años. Los paneles solares son bastante durables y pueden resistir condiciones climáticas desfavorables cuando son montados correctamente. Aunque usted se puede preguntar, ¿Cómo es que nosotros diseñamos sistemas de montaje resistentes a estas fuerzas de viento extremas?

 

En muchas jurisdicciones de los Estados Unidos y alrededor del mundo, puede haber poca regulación para asegurar la estabilidad estructural de un sistema de montaje fotovoltaico. Esto causa muchas confusiones a los instaladores, ya que ellos son responsables de saber sus propias jurisdicciones y normativas y no pueden confiar siempre en una lista de materiales diseñada en una computadora o en programas de producción, para diseñar acertadamente sistemas que puedan cumplir con estas normativas.

 

Hasta hace poco, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE por sus siglas en inglés) proporcionó códigos y normativas para edificios, pero no específicamente para estructuras de arreglos solares.  En ASCE 7-5 y 7-10, una sección llamada “COMPONENTS AND CLADDINGS (componentes y fachadas)” ha sido utilizada en varias jurisdicciones como una referencia de cómo diseñar y autorizar estructuras de arreglos solares en edificios. Si bien es útil, esta sección del código realmente no contempla las distintas maneras en las que las cargas ambientales impactan en los paneles solares y su estructura de montaje.  Por esta razón, la validación de los requerimientos de diseño difiere bastante de una ciudad a otra. Desafortunadamente, esto significa que los instaladores necesitan hacer su propia investigación, para garantizar que sus instalaciones son seguras y capaces de soportar las cargas de viento locales.

 

Debido a la falta de un estándar nacional, las instalaciones se pueden retrasar por los permisos.  Adicionalmente, los proyectos pueden ser en gran medida insuficientemente diseñados, si la regulación principal no verifica ningún requerimiento de carga. Esto puede resultar en caros rediseños, donde los costos añadidos al sistema no fueron considerados en el presupuesto. Algunas localidades pueden requerir cambios estructurales en el edificio, esto puede hacer los proyectos económicamente poco atractivos o invasivos. Un ejemplo de esto puede ser la instalación de anclajes empotrados al techo, donde el diseño original era anclaje por medio de lastres (por peso). Esto incrementa drásticamente costos a terceros, como pueden ser garantías del techo.

 

Existen muchos factores dentro del diseño de un sistema que puede sobrevivir soportar eventos climáticos hostiles. Es importante entender que algunos de estos factores están hechos para aminorar riesgos asociados con fallas relacionadas al viento. Las buenas noticias son que el actual código ASCE 7-16, incluye una sección que hace referencia específicamente al diseño de arreglos solares en estructuras. Este nuevo manual aún no ha sido adoptado por muchas autoridades con jurisdicción.

Roof Zones

#1 Zonas del techo

Las zonas del techo determinan la cantidad de carga de viento a la que es sometido el sistema, basadas en la ubicación del sistema en el techo. Acorde a ASCE 7-10, existen tres principales zonas que deben ser consideradas.

 

La zona uno es la que soporta la menor carga de viento y consiste en el espacio interior del techo. La zona dos está compuesta por el perímetro del techo y es una zona de alto riesgo.

La zona tres se localiza en las esquinas del techo y es el área de mayor riesgo. La mayoría de las fallas del sistema ocurren en el borde o la esquina del techo. La instalación de módulos en el borde o en la esquina del techo puede ser peligrosa y arriesgada. En muchos casos, las instalaciones en zonas de esquina o bordes requieren de más puntos de sujeción o lastre. Incluso las instalaciones residenciales en áreas de bajo riesgo, como California, pueden requerir tramos más cortos con aumento de puntos de conexión en las zonas de esquina. El cálculo de las zonas del techo puede ser un desafío según el código utilizado en una jurisdicción específica. Es mejor consultar el código apropiado y consultar al ingeniero de diseño del proyecto. Si se trata de una instalación residencial, el fabricante de la estructura de montaje puede tener un software que ayude con los cálculos de zona. Por ejemplo, aquí en Everest se tiene nuestro software Base y nuestra herramienta de diseño CrossRail para ayudar a diseñar su proyecto con facilidad. Los softwares son simples y fáciles de usar, pero si tiene alguna pregunta, nuestros empleados están siempre disponibles para ayudarle.

Building Risk Category

#2 Categoría de riesgo de construcción

Es necesario tomar más precauciones en función del factor de importancia del edificio. Los códigos de construcción clasifican los edificios por: riesgo de la vida humana, salud y bienestar. Puede consultar las disposiciones de ASCE 7 para determinar las clasificaciones adecuadas. Por ejemplo, un edificio como un granero, probablemente representaría la categoría de riesgo uno, debido al bajo riesgo de pérdida de vidas en caso de falla.

Un hospital se clasificaría como riesgo de nivel cuatro, debido a que es un edificio necesario para la vida humana. Un sistema fotovoltaico en funcionamiento podría ser fundamental para un hospital ubicado en un área remota. La mayoría de los sistemas fotovoltaicos se instalan en estructuras de categoría de riesgo dos. Las estructuras incluidas suelen ser casas, almacenes comerciales, restaurantes y hoteles. Los sistemas fotovoltaicos en edificios de categoría de riesgo tres y cuatro son costosos. Esto se debe al lastre adicional o fijaciones necesarias para mitigar el riesgo de falla. En muchos casos, estos sistemas no pueden ser instalados en las zonas de techo dos y tres, en edificios de categoría de riesgo tres y cuatro. Estos requisitos adicionales pueden limitar la cantidad de sistemas fotovoltaicos que pueden caber en el techo.

 

Muchos contratistas no licitan proyectos de este tipo de estructuras para evitar los dolores de cabeza asociados con la autorización del proyecto. Si bien esto es válido, puede haber muchas formas de reducir estos riesgos al comprender los requisitos adicionales antes de que comience el proceso de diseño.

 

Para los sistemas de fijación, agregar más anclajes de los necesarios puede provocar fugas de agua y mayores costos en el futuro. En 2017, el huracán María arrasó Puerto Rico. ¡El hospital VA de San Juan tenía un arreglo en la azotea de 645 KW que podía soportar vientos de 180 mph (290 km/h)! Si ese sistema no se hubiera diseñado correctamente, el daño y la pérdida de vidas podrían haber sido catastróficos.

Roof Height and Exposure Category

#3 Altura del techo y categoría de exposición

Las cargas de viento en un sistema fotovoltaico aumentan a medida que el edificio crece. Cualquier proyecto residencial que exceda los 30 ft (9.14m) generalmente requiere ingeniería personalizada. Es importante comprender los riesgos asociados con la instalación de paneles fotovoltaicos en techos que superen los 30 ft (9.14m). Esto es especialmente cierto para los casos en edificios como hoteles, que alcanzan una altura de 100 ft (30.48m). En muchos de estos casos, el ingeniero de diseño requerirá anclajes en lugar de lastre para mitigar los riesgos de falla.

Los sistemas de estructuras de montaje y anclajes son clave para determinar la resistencia al viento.  Si se utilizan muy pocos lastres, el arreglo de paneles puede voltearse o moverse cuando se someta a fuertes cargas de viento. Los sistemas de estructuras de montaje inclinados suelen ser más susceptibles a mayores cargas de viento que los sistemas empotrados. En el caso de los sistemas con lastre (por peso), podría parecer prudente simplemente aumentar los lastres para reducir riesgos. Sin embargo, también existen riesgos en el diseño excedido del sistema. Demasiados lastres pueden causar problemas estructurales en el edificio; especialmente aquellos que experimentan cargas sísmicas o grandes cargas de nieve.

 

Cada jurisdicción tiene sus propios criterios específicos de diseño. Dado que no existe una norma nacional y no es práctico realizar estudios de túnel de viento en cada sistema diseñado, los contratistas deben diseñar cuidadosamente los sistemas para garantizar su funcionamiento y seguridad. La Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC) ha estado trabajando para establecer un estándar industrial para la instalación de sistemas solares. Hasta que sea aceptado ampliamente, los instaladores deben investigar y comprender las regulaciones de su propia jurisdicción. Debido a la falta de directrices nacionales para el diseño solar de tejados comerciales, cada autoridad competente debe establecer su propia interpretación de los parámetros de diseño adecuados. Hay tres problemas principales al respecto:

 

  1. Los sistemas excedidos a veces pueden causar que los proyectos se vuelvan demasiado costosos, demasiado pesados, o demasiado intrusivos en el techo existente.
  2. Largos retrasos en la obtención de permisos pueden alterar al cliente final y provocar desconfianza en la empresa o pérdida de una venta.
  3. Cambios de diseño de la autoridad que tiene jurisdicción que alteran drásticamente el diseño de lo propuesto inicialmente, lo que también molesta a los clientes finales.

Es necesario evitarlos con anticipación y planificar sus sistemas utilizando los códigos apropiados para su jurisdicción específica.

¿Tiene usted alguna pregunta? ¿Necesita ayuda para planificar su proyecto? ¡Nuestro equipo de expertos en estructuras de montaje solares está aquí para ayudarlo!

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