Sin embargo, calcular la carga de nieve para un sistema fotovoltaico en tejado no es tan sencillo como multiplicar el área del tejado por la profundidad de la nevada local. Los ingenieros deben determinar la carga de nieve del suelo, convertirla en la carga de nieve del techo aplicable y luego evaluar cómo el panel solar cambia la distribución de la nieve en el techo.
La inclinación del panel, la altura de montaje, el espacio entre hileras, la geometría del techo y las condiciones climáticas locales pueden afectar el diseño estructural final. Esta guía explica los principales pasos de cálculo y las comprobaciones prácticas necesarias al seleccionar un sistema de montaje solar para techo plano.
1. Comprenda las diferentes cargas de nieve en un sistema solar de techo plano
Antes de comenzar el cálculo, es importante distinguir entre las diferentes condiciones de carga de nieve que pueden afectar a una instalación fotovoltaica sobre tejado.
Carga de nieve en el suelo
La carga de nieve del suelo es la carga de nieve de diseño asociada con el sitio antes de ajustarla a las condiciones del techo del edificio. Se determina a partir del código de construcción aplicable, mapas de carga de nieve locales o datos de ingeniería específicos del sitio.
Proporciona el punto de partida para calcular la carga de nieve en el tejado.
Carga de nieve equilibrada en el techo
La carga de nieve equilibrada se refiere a la nieve distribuida sobre un techo bajo la condición de carga equilibrada definida por la norma de diseño aplicable. Para un techo plano o de baja pendiente, este es un caso de carga de referencia importante.
Carga de nieve desequilibrada
La nieve no siempre se acumula de manera uniforme. El viento, la geometría del techo, las filas de paneles solares y otras obstrucciones pueden hacer que una parte del techo o conjunto transporte más nieve que otra.
Carga de nieve a la deriva
La deriva ocurre cuando el viento transporta nieve y la deposita contra una obstrucción. Los módulos fotovoltaicos elevados, los marcos de soporte, los parapetos y las diferencias en la altura del techo pueden crear áreas donde la nieve se acumula localmente.
Carga de nieve deslizante
Cuando la nieve baja por un panel inclinado, puede crear fuerzas adicionales en los soportes inferiores o acumularse cerca del borde inferior del módulo. Esta condición es particularmente relevante para los paneles solares inclinados.
Es posible que un diseño completo de montaje solar en techo plano deba considerar varios de estos casos de carga en lugar de depender de una presión de nieve uniforme.
2. Encuentre la carga de nieve en el suelo para la ubicación del proyecto
El primer paso para calcular la carga de nieve en el techo es identificar la carga de nieve en el suelo, comúnmente representada por Pg en los cálculos de diseño de EE. UU.
La carga de nieve del suelo depende de la ubicación geográfica del proyecto y de los requisitos del código de construcción adoptado localmente. En los Estados Unidos, los ingenieros suelen consultar ASCE/SEI 7 y el código de construcción local aplicable para establecer este valor.
Para un proyecto en otro país, se debe utilizar la norma nacional pertinente. Por ejemplo, los proyectos europeos generalmente hacen referencia a la norma EN 1991-1-3, mientras que los proyectos en otros mercados pueden seguir sus propias disposiciones nacionales sobre carga de nieve.
No utilice el promedio anual de nevadas ni un pronóstico del tiempo como sustituto de la carga de nieve del suelo de diseño. La profundidad de la nieve y la presión estructural de la nieve no son la misma medida. La densidad de la nieve, el historial de acumulación y el período de retorno del diseño son importantes.
Antes de continuar, confirme:
Ubicación y elevación del proyecto.
Carga de nieve en el suelo especificada por el código aplicable.
Edición y modificaciones del código de construcción local.
Categoría de riesgo o importancia del edificio.
Si el sitio requiere una evaluación de carga de nieve específica del sitio.
3. Calcule la carga de nieve en techos planos
Según el marco de cálculo ASCE 7-16, la carga de nieve equilibrada en tejados planos se puede calcular utilizando:
Pf=0.7 × Ce × Ct × Es × Pg
Dónde:
Pf=Carga de nieve en tejados planos.
Ce=Factor de exposición a la nieve.
Ct=Factor térmico.
Es=factor de importancia de la carga de nieve.
Pg=Carga de nieve en el suelo.
Cada factor representa una condición diferente del proyecto.
Factor de exposición a la nieve (Ce)
El factor de exposición refleja qué tan expuesto está el techo al viento y a las condiciones circundantes. Un techo rodeado de edificios u otras obstrucciones puede tener características de acumulación de nieve diferentes a las de un techo expuesto a terreno abierto.
El valor apropiado debe seleccionarse de la norma aplicable.
Factor Térmico (Ct)
El factor térmico representa el efecto del calor del edificio sobre la acumulación de nieve y su derretimiento en la superficie del techo.
Los edificios con diferentes temperaturas interiores, disposiciones de aislamiento y condiciones térmicas del techo pueden requerir valores diferentes.
Factor de importancia de la carga de nieve (Is)
El factor de importancia refleja la categoría de riesgo del edificio y las consecuencias asociadas con la falla estructural. Se determina a partir del código aplicable en lugar de seleccionarse arbitrariamente.
Ejemplo de cálculo
Suponga que un edificio comercial tiene los siguientes elementos de diseño preliminar:
| Parámetro | Valor asumido |
|---|---|
| Carga de nieve en el suelo (Pg) | 1,5 kN/m² |
| Factor de exposición (Ce) | 1.0 |
| Factor térmico (Ct) | 1.0 |
| Factor de importancia de la nieve (Is) | 1.0 |
Usando la fórmula:
Pf=0.7 × 1,0 × 1,0 × 1,0 × 1,5
Pf=1.05 kN/m²
La carga de nieve preliminar equilibrada para tejados planos es, por tanto, de 1,05 kN/m² según estas entradas supuestas de ASCE 7-16.
Este es un cálculo ilustrativo, no un valor de diseño para cada techo comercial. Los factores deben seleccionarse del código adoptado para el proyecto real. La edición aplicable también puede utilizar diferentes disposiciones, cargas mínimas o casos de carga adicionales.
4. Evaluar cómo los paneles solares cambian la distribución de la nieve
Este es uno de los pasos más importantes en el diseño estructural fotovoltaico de tejados.
Un tejado plano convencional y un tejado plano con paneles solares elevados no tienen necesariamente la misma distribución de nieve. Los paneles y marcos de montaje actúan como obstrucciones que pueden afectar la forma en que se mueve y acumula la nieve.
Varias condiciones merecen atención:
Acumulación de nieve entre filas de paneles
Los espacios entre los módulos inclinados y las filas de montaje pueden acumular nieve acumulada. Si la matriz crea obstrucciones repetidas, la nieve puede acumularse en patrones que difieren de la carga equilibrada del techo.
Acumulación de nieve alrededor de paneles elevados
El espacio debajo y alrededor de un panel solar elevado puede crear zonas de acumulación local. La altura de los paneles, la distancia entre hileras y la geometría del tejado circundante influyen en la extensión de estas áreas.
Carga desigual en módulos individuales
La nieve puede permanecer en la parte inferior de un panel inclinado o acumularse contra el marco del módulo inferior. Esto puede producir una carga no uniforme en el módulo fotovoltaico, incluso cuando la carga total de nieve del techo se trata como un caso de carga estructural separado.
Acumulación de nieve cerca de parapetos y obstáculos en el techo
Los parapetos, los equipos del tejado, los edificios adyacentes y los cambios en la elevación del tejado pueden crear condiciones de deriva adicionales. La disposición del montaje solar debe evaluarse junto con las características existentes del techo.
Por esta razón, los ingenieros no deben aplicar automáticamente la misma presión uniforme de nieve a cada panel, riel y punto de soporte sin verificar los requisitos de distribución de carga aplicables.
5. Considere el ángulo de inclinación del panel, la altura de montaje y el espacio entre filas
La geometría de un sistema de montaje solar en techo plano afecta la forma en que la nieve se acumula y se transfiere a la estructura de soporte.
Ángulo de inclinación del panel
Una mayor inclinación del panel puede ayudar a que la nieve se deslice en condiciones adecuadas, pero no significa que la carga de nieve de diseño pueda reducirse automáticamente. La retención de nieve depende de las características de la superficie del panel, la temperatura, los detalles del marco y el clima local.
El diseño también debe considerar la fuerza creada cuando la nieve deslizante es restringida por soportes inferiores o componentes vecinos.
Altura de montaje
Los paneles solares elevados pueden crear espacio adicional para la acumulación de nieve debajo del conjunto. Por lo tanto, en la evaluación estructural se debe incluir la altura de la estructura y la distancia entre el panel y el techo.
Espaciado de filas
El espacio entre hileras afecta el espacio disponible para el movimiento y la acumulación de nieve. Los espacios estrechos pueden retener nieve entre las filas, mientras que los espacios más amplios cambian el diseño y el área expuesta del techo.
No existe un espaciado único entre hileras que funcione para todas las condiciones de nieve. El diseño apropiado depende de la carga de nieve de diseño local, las dimensiones del panel, el ángulo de inclinación, la configuración del conjunto y la geometría del techo.
6. Verifique la carga de nieve en los módulos solares y los componentes de montaje
La estructura del tejado no es el único componente que hay que comprobar. Los módulos fotovoltaicos y el sistema de montaje también tienen sus propios límites de carga.
Para un sistema completo de montaje solar en techo plano, la revisión estructural debe incluir:
- Clasificación de carga de nieve del módulo solar.
- Marco del módulo y resistencia del vidrio.
- Posición de sujeción y rango de sujeción.
- Flexión y deflexión del carril.
- Resistencia del soporte.
- Capacidad de sujeción y conexión.
- Soporte de base e interfaz de techo.
- Transferencia de carga local hacia la plataforma del techo y los miembros estructurales.
Las capacidades de carga de los módulos solares deben verificarse con la documentación del fabricante para el módulo específico y la configuración de montaje. La calificación de prueba publicada de un módulo no debe tratarse automáticamente como una carga de diseño de proyecto permitida sin verificar los requisitos de prueba y diseño relevantes.
El marco del módulo también importa. La nieve retenida en el marco inferior puede crear una distribución de tensión diferente a la de una carga distribuida uniformemente. El Departamento de Energía de EE. UU. destaca este problema y recomienda verificar la clasificación de carga de nieve estática del módulo y los efectos de la carga de nieve no uniforme.
7. Verifique la capacidad de carga total del techo
Incluso si la estructura de montaje fotovoltaico puede soportar la carga de nieve calculada, el techo del edificio existente debe ser capaz de soportar la instalación completa.
El ingeniero estructural debe considerar las combinaciones de carga relevantes, que incluyen:
- Carga muerta del techo existente.
- Peso del módulo solar.
- Peso de la estructura de montaje.
- Peso de lastre, cuando corresponda.
- Diseño de carga de nieve.
- Carga viva del techo aplicable.
- Otras cargas específicas del proyecto requeridas por el código local.
- Es especialmente importante la forma en que se transfieren las cargas al tejado.
Un sistema de montaje solar con lastre puede distribuir el peso entre varios puntos de soporte, pero también puede introducir una carga muerta adicional sustancial. Un sistema fijado mecánicamente puede reducir la necesidad de lastre, pero las reacciones concentradas en los anclajes y las bases de montaje deben compararse con la plataforma del techo y los miembros de soporte.
La carga promedio por metro cuadrado por sí sola puede no revelar la condición más crítica. También es necesario verificar las reacciones de los soportes locales y la capacidad de los miembros individuales del techo.
8. ¿Qué estándares se utilizan para los cálculos de carga de nieve en techos solares?
La norma aplicable depende de la ubicación del proyecto y del código de construcción adoptado por la autoridad local.
| Estándar | Aplicación principal |
|---|---|
| ASCE/SEI 7 | Cargas mínimas de diseño y criterios asociados en los Estados Unidos. |
| EN 1991-1-3 | Cargas de nieve según el marco del Eurocódigo |
| AS/Nueva Zelanda 1170.3 | Acciones de nieve y hielo en Australia y Nueva Zelanda |
| Códigos de construcción nacionales locales | Requisitos y modificaciones de carga de nieve específicos de cada país |
Para instalaciones solares, el ingeniero también debe considerar si el estándar seleccionado proporciona orientación suficiente para la configuración real del conjunto fotovoltaico.
La orientación técnica relacionada con la ASCE analiza las cargas de nieve equilibradas, deslizantes y acumuladas para diferentes disposiciones de paneles solares, incluidos sistemas al ras, inclinados-cerrados, inclinados-abiertos y elevados. Esta distinción es importante porque la presencia de paneles solares puede cambiar la forma en que se distribuye la nieve por el techo.
No combine coeficientes o fórmulas de diferentes normas sin confirmar que sus definiciones y procedimientos de cálculo son compatibles.
9. ¿Qué información deben proporcionar los compradores al solicitar un diseño de montaje solar?
Para que un fabricante o proveedor de ingeniería evalúe un sistema de montaje solar en techo plano para un proyecto propenso a la nieve, la siguiente información es útil:
- Ubicación del proyecto y norma de diseño aplicable.
- Carga de nieve en el suelo o datos de diseño del código local.
- Altura del edificio y dimensiones del techo.
- Construcción del techo y capacidad de carga estimada.
- Dimensiones, peso y fabricante del módulo solar.
- Ángulo de inclinación y orientación del panel requerido.
- Altura de montaje y espacio entre filas propuesto.
- Disposición del conjunto, incluidos parapetos y obstrucciones en el tejado.
- Método de instalación lastrada o fijada mecánicamente.
- Requisitos de aprobación estructural específicos del proyecto.
Proporcionar estos detalles con anticipación ayuda al equipo de ingeniería a evaluar la configuración requerida del riel, el espaciamiento de los soportes, la capacidad de conexión y la disposición de los cimientos o lastre antes de la producción.
Conclusión
Calcular la carga de nieve para un sistema de montaje solar en techo plano requiere más que identificar la carga de nieve local del suelo. Los ingenieros deben convertir la carga de nieve del suelo en la carga de diseño del techo aplicable, evaluar la acumulación de nieve alrededor del panel solar y verificar la resistencia de los módulos, los componentes de montaje y la estructura del techo existente.
Para proyectos fotovoltaicos comerciales en tejados en regiones nevadas, la carga de nieve equilibrada es sólo el punto de partida. La deriva, el deslizamiento y la acumulación desigual pueden crear condiciones de diseño adicionales que afectan el diseño de montaje y los requisitos estructurales.
Por lo tanto, un sistema de montaje solar adecuado para tejados planos debe diseñarse teniendo en cuenta las condiciones reales del lugar y el estándar estructural adoptado localmente. Este enfoque ayuda a evitar componentes de soporte insuficientemente diseñados, peso estructural excesivo y cambios innecesarios durante la instalación del proyecto.
