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El método FEM aplicado al cálculo de puentes térmicos

Descubre cómo calcular los puentes térmicos con el método de los elementos finitos (FEM) y maximizar la eficiencia energética de los edificios

El uso de la simulación FEM (Finite Element Method) se revela como un arma valiosa para los técnicos. Esta permite realizar un análisis detallado y un mejor diseño de los edificios. Además, se utiliza para reducir los diversos factores que influyen en el consumo de energía, incluidos los puentes térmicos que desempeñan un papel significativo. Estos causan pérdidas de calor que resultan en ineficiencia y mayores gastos de gestión.

En este artículo veremos qué es el Método de Elementos Finitos y cómo se puede utilizar para identificar y eliminar los puentes térmicos, también gracias a un software de cálculo de puentes térmicos.

Uso de la metodología FEM para el cálculo de puentes térmicos

Uso de la metodología FEM para el cálculo de puentes térmicos

Qué son los puentes térmicos

Los puentes térmicos son áreas de un edificio donde hay pérdida de calor entre los espacios interiores y exteriores causada por diversas situaciones, como interrupciones en la continuidad del aislamiento, presencia de elementos estructurales conductivos o formación de puntos fríos debido a la geometría del edificio. Su presencia puede llevar a un aumento en el consumo de energía para la calefacción o refrigeración de los espacios y a una mayor incomodidad para los ocupantes del edificio.

Qué es la metodología FEM

La metodología FEM, acrónimo de Finite Element Method (Método de Elementos Finitos), representa una técnica avanzada de análisis numérico utilizada en ingeniería para resolver ecuaciones diferenciales parciales complejas que describen el comportamiento de un sistema físico. Este enfoque innovador divide el objeto o estructura en un gran número de elementos finitos más simples, como triángulos o cuadriláteros en 2D y tetraedros en 3D. Todo para representar con precisión la geometría y las propiedades del material.

Además, cada elemento finito se caracteriza por un conjunto de ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento local del material o la estructura en cuestión. Estas ecuaciones se aplican a los elementos individuales, teniendo en cuenta diversos factores. Posteriormente, las ecuaciones se resuelven numéricamente a través de sofisticados métodos iterativos, proporcionando una representación precisa del comportamiento general del sistema bajo examen.

En el contexto de los puentes térmicos, el uso de la FEM permite modelar con precisión el flujo de calor a través de los materiales del edificio, teniendo en cuenta diversas condiciones ambientales y de diseño. Este enfoque avanzado permite a los técnicos identificar y corregir cualquier punto débil en el aislamiento térmico de un edificio, mejorando así su rendimiento energético general.

Con esta metodología, los técnicos pueden analizar detalladamente el comportamiento térmico de un sistema, evaluando el efecto de diferentes configuraciones y materiales en la eficiencia energética del edificio. De esta manera, es posible optimizar el diseño de los edificios para reducir las pérdidas de calor y mejorar la comodidad de los ocupantes. Esto contribuye a la creación de entornos más sostenibles y eficientes desde el punto de vista energético.

Tecnologías y Herramientas de Software

El análisis por elementos finitos (FEA) es una metodología computacional utilizada para realizar análisis ingenieriles complejos a través de software. Este enfoque se basa en el Método de Elementos Finitos (FEM), que tiene como objetivo resolver de manera discreta y aproximada sistemas generales de ecuaciones diferenciales parciales (PDE).

Actualmente, existen numerosos software para análisis por elementos finitos, tanto gratuitos como de pago. Estos programas dividen el proceso de análisis en tres fases:

  1. Pre-Procesamiento: durante esta fase:
    • construye el modelo por elementos finitos,
    • se selecciona el tipo de análisis a realizar y el tipo de elementos finitos,
    • se definen los parámetros de los materiales,
    • crea la discretización;
    • se aplican las condiciones de restricción y carga.
  2. Procesamiento: aquí es donde ocurre el análisis real, con la resolución del problema por elementos finitos;
  3. Post-Procesamiento: en esta fase, se procesan y representan los resultados del análisis, tanto en términos de cantidades fundamentales como derivadas.

Para el cálculo de la transmitancia térmica lineal de los puentes térmicos, es fundamental el uso del análisis por elementos finitos.

Los solucionadores de cálculo utilizados por el software permiten obtener rápidamente el cálculo de la transmitancia térmica lineal de los puentes térmicos, evaluar el flujo térmico y el coeficiente de acoplamiento térmico, y verificar la corrección del mismo. El software anteriormente comentado también ofrece herramientas para visualizar e interpretar los resultados de manera intuitiva, a través de curvas de nivel, isotermas y más.

Es posible realizar análisis detallados de los puentes térmicos, evaluar una amplia gama de combinaciones y encontrar soluciones óptimas para mejorar la eficiencia energética de los edificios. La velocidad y facilidad de uso lo convierten en una herramienta valiosa para ingenieros y diseñadores comprometidos con la optimización del rendimiento térmico de los edificios.

Ventajas y Desventajas del Análisis FEM

Las ventajas del análisis por elementos finitos incluyen:

  • Geometrías complejas – la capacidad para manejar geometrías complejas es una de las principales fortalezas de los métodos FEM;
  • Amplia aplicabilidad – es adecuado para una amplia gama de problemas de ingeniería, incluyendo mecánica de sólidos, de fluidos, de calor, electrostática, etc.;
  • Gestión de restricciones y cargas complejas – puede manejar fácilmente condiciones de restricción y cargas complejas.

Las desventajas del análisis por elementos finitos son:

  • Solución no parametrizable – no siempre es posible obtener una solución cerrada y parametrizable del problema;
  • Aproximaciones inherentes – el enfoque de elementos finitos implica aproximaciones en la solución;
  • Errores de discretización – pueden ocurrir errores en la discretización de dominios no regulares;
  • Errores de interpolación – pueden surgir errores durante la interpolación de la solución dentro de los elementos finitos;
  • Errores numéricos – pueden ocurrir errores debido a limitaciones computacionales, como el número finito de dígitos significativos y la dificultad para manejar números extremadamente grandes o pequeños;
  • Errores de modelado – los errores de modelado son comunes y pueden afectar los resultados del análisis.

Cómo utilizar un software para el cálculo de los puentes térmicos

En este video puedes ver cómo utilizar en pocos pasos un software para el cálculo de los puentes térmicos que utiliza la metodología FEM, diseñando estructuras iguales a las condiciones reales y obteniendo resultados altamente profesionales.

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