Dado que los vehículos eléctricos (EV) alcanzarán entre el 40% y el 50% de las ventas de automóviles en los Estados Unidos para 2030, la infraestructura circundante se está construyendo a un ritmo rápido para respaldar esta creciente demanda.1 2
Las instalaciones típicas de producción de baterías para vehículos eléctricos consisten en grandes edificios industriales que albergan áreas para el almacenamiento de materias primas, procesamiento húmedo, producción, ensamblaje y distribución. Varias de estas áreas son entornos a nivel de sala limpia que requieren alta filtración, muy baja humedad y pisos especializados para disipar las cargas electrostáticas. Además, las instalaciones deben protegidas ignífugamente dado que albergan materiales extremadamente inflamables y explosivos. Estos requisitos hacen que la construcción general de una planta de baterías para vehículos eléctricos sea significativamente más compleja que la construcción de una planta automotriz típica. Además del desafío, las demandas del mercado están creando una presión sustancial para construir estos enormes edificios más rápido.
Afortunadamente para los propietarios de las instalaciones, se pueden lograr notables eficiencias en las primeras etapas de la construcción para que todo el proceso sea menos engorroso. De particular interés es un ajuste importante en la secuencia del proyecto que resulta del traslado del proceso tradicional de protección contra incendios dentro del sitio de construcción a un taller externo de recubrimientos. Hacerlo de esta forma puede simplificar enormemente la programación de la construcción, manteniendo al mínimo las interrupciones típicas en el sitio de construcción para la protección contra incendios y acelerando la finalización de la protección contra incendios. Este enfoque más simple, es un catalizador que permite obtener resultados más seguros, más rápidos y mejores en la construcción de plantas de baterías para vehículos eléctricos. Como beneficio adicional, también ofrece importantes ahorros potenciales de costos de entre $900.000 y $4,4 millones para una instalación típica, dependiendo del método tradicional de protección contra incendios in situ que reemplace. Repasemos cómo.
Secuenciación de proyectos de construcción de plantas de baterías más sencilla
Para demostrar los beneficios de las aplicaciones ignífugas aplicadas en talleres, usaremos el ejemplo de una nueva planta de baterías para vehículos eléctricos de un millón de pies cuadrados que se está construyendo y que requiere 100 000 pies cuadrados de superficie de acero estructural para ser ignífuga. Cuándo y dónde se realiza la protección contra incendios será un factor clave para simplificar los procesos y, por tanto, permitir que el proyecto se realice de forma más segura, rápida y mejor.
El tipo de material intumescente utilizado también es importante, ya que la aplicación de materiales líquidos intumescentes resistentes al fuego (IFRM) es mucho más sencilla que aplicar revestimientos cementosos tradicionales y limpiar posteriormente el exceso de material. También conocidos como materiales resistentes al fuego pulverizados (SFRM), los revestimientos cementosos intumescentes se pulverizan sobre superficies de acero estructural como cemento húmedo, que luego cura y se adhiere al acero. El proceso casi siempre se realiza en el sitio y es complicado, ya que el exceso de cemento golpea áreas que no deben recubrirse y grumos de exceso de material caen al piso. Los IFRM, que normalmente son recubrimientos epóxicos de película delgada, son menos complicados de aplicar, ya sea en el sitio o en una instalación externa. Los aplicadores deben rociar una película suficiente de epóxicos líquidos sobre las superficies de acero, tal vez haciendo varias pasadas para alcanzar el espesor requerido para la clasificación de protección contra incendios especificada del edificio (Figura 1) .
Existen diferencias dramáticas en la secuencia de proyectos entre los métodos de protección contra incendios, y las aplicaciones de IFRM fuera del sitio reducen en gran medida la cantidad de restricciones en otros oficios que trabajan en el sitio de construcción en comparación con cuando los aplicadores usan IFRM o SFRM en el sitio.
IFRM o SFRM aplicados en obra
En los proyectos de construcción tradicionales, los materiales ignífugos normalmente se aplican en el sitio a pesar de las ineficiencias inherentes. Algunas aplicaciones pueden realizarse en una tienda de campaña improvisada y semicontrolada antes de montar el acero, pero lo más probable es que el acero se monte cuando llegue al sitio de construcción, y los aplicadores luego lo pondrán a prueba de fuego después de que se haya atornillado en su lugar. En cualquier escenario, las actividades de protección contra incendios crean desafíos en la secuenciación del proyecto que resultan en varias paradas y comienzos para diversos oficios. Cuando los aplicadores están rociando IFRM o SFRM, otros oficios no pueden trabajar en esa área, ya que el polvo y los escombros que se agitan podrían afectar la adhesión de los recubrimientos intumescentes. Además, otros trabajadores estarían expuestos a la posibilidad de ser golpeados por el exceso de material ignífugo mientras los aplicadores recubren el acero.
Durante cada una de esas demoras para la protección contra incendios, los aplicadores deberán instalar lonas de contención y encerrar las áreas que se recubrirán. Estos recintos evitan que los desechos de las actividades de preparación de la superficie y el exceso de rociado de las aplicaciones intumescentes se infiltren en otras áreas del sitio de construcción. Esta protección también permite que otros oficios continúen trabajando en otras áreas de la estructura. Pero se necesita un tiempo precioso para acordonar grandes áreas, completar la preparación de la superficie y recubrir el acero, tiempo durante el cual probablemente no se realizarán otras actividades en esas áreas. Además, es posible que sea necesario acondicionar las áreas cerradas para llevar la temperatura y la humedad relativa a niveles adecuados para que el material rociado se adhiera y cure. Estos requisitos añaden tiempo, costo y complejidad al trabajo.
IFRM aplicados en taller
La gestión del proceso de protección intumescente mediante IFRM en un entorno de taller simplifica la programación del proyecto. Las aplicaciones se pueden completar antes de que se realice cualquier montaje de acero en el lugar de trabajo, o incluso durante el proceso de montaje, con entregas de acero intumescente programadas para alinearse con el progreso actual del proyecto. Realizar las aplicaciones de protección contra incendios fuera del sitio y antes de montar el acero reduce en gran medida las limitaciones comunes asociadas con las aplicaciones de revestimiento en el sitio. Varios otros oficios, incluidos electricistas, plomeros, instaladores de concreto y otros, pueden dedicarse libremente a sus negocios durante la fase de montaje del acero sin la frecuente necesidad de coordinarse con los aplicadores de recubrimientos y detener el trabajo durante las actividades de protección contra incendios en el sitio.
Sólo hay un breve período de restricción en este escenario, que cubre el tiempo durante el cual los aplicadores en el sitio deberán completar las aplicaciones IFRM finales en el acero montado. En el taller, los aplicadores cubrirán aproximadamente el 80% de toda la superficie del acero estructural del edificio. El 20% restante representa áreas de “retención” que deberán ser ignífugas después de atornillar el acero (Figura 2) . Estas áreas recibirán una capa de imprimación para evitar que el acero se oxide, pero quedarán libres de IFRM, ya que los recubrimientos intumescentes no deben aplicarse entre piezas de metal sujetas, ya que están diseñadas para hincharse en caso de incendio. En el sitio, los aplicadores deberán aplicar IFRM en cada área de retención con el mismo espesor que se aplicó en el taller, tal vez instalando pequeñas estructuras de contención alrededor de las áreas y preparando la superficie de acero según sea necesario. Pueden realizar esta actividad de nivel de retoque final de manera algo estratégica en el cronograma de secuencia del proyecto para minimizar la cantidad de oficios afectados en un área determinada.
Al eliminarse casi todas las limitaciones del proceso mediante la aplicación de IFRM en el taller, la programación se vuelve más sencilla en el sitio de construcción. Además, el proceso elimina la necesidad de la mayoría, si no de todas, las lonas, así como el uso de equipos de calefacción y/o deshumidificación. El tráfico, la logística y el almacenamiento en el sitio también se simplifican, ya que las piezas de acero completamente recubiertas pueden extraerse directamente de los camiones de reparto e instalarse rápidamente en la estructura (Figura 3) . Además, la limpieza es mucho más fácil, ya que no hay ningún desorden relacionado con SFRM que eliminar.
Finalizaciones de proyectos más rápidas
La naturaleza simplificada de la aplicación de IFRM en un entorno de taller permite mayores eficiencias en comparación con la aplicación de IFRM o SFRM en el sitio de construcción.
Dentro del entorno del taller de aplicación controlada de recubrimientos, las aplicaciones IFRM pueden realizarse mucho más rápido que en el sitio de construcción. Un taller es esencialmente una fábrica, construida específicamente para mover acero sin recubrimiento a través de varios procesos para ofrecer un acabado consistente y de calidad que cumpla con las especificaciones. Cada tarea está coreografiada y optimizada para el rendimiento. En la obra, es difícil lograr una aplicación uniforme. Los retrasos en la construcción, las condiciones climáticas, el funcionamiento de otros sectores y obstáculos adicionales amenazan la eficiencia. Y, como se estableció anteriormente, otros trabajadores necesitarán despejar el área donde se están llevando a cabo las aplicaciones IFRM o SFRM en el sitio, lo que ralentizará el progreso de la construcción.
Las interrupciones y retrasos para otros oficios observados en la discusión sobre la secuencia del proyecto son ciertos independientemente de si los trabajadores están aplicando IFRM o SFRM. Sin embargo, los IFRM ofrecen importantes ahorros de tiempo, ya que toda la superficie de acero de 100.000 pies cuadrados de la instalación de ejemplo puede ser ignífuga en la mitad del tiempo cuando se pulverizan los IFRM en un taller y se completan los retoques en el sitio (45 días) en comparación con la aplicación de los SFRM en el sitio (90 días). Alternativamente, las aplicaciones se pueden realizar 30 días antes cuando se pulverizan IFRM en el sitio (60 días) en comparación con la aplicación de SFRM en el sitio (consulte la Tabla 1 abajo). Al completar antes las aplicaciones de revestimiento, se pueden terminar edificios enteros más rápido, ya que cualquier sector que dependa de terminaciones de protección contra incendios puede comenzar sus tareas antes.
Finalmente, los IFRM permiten instalaciones más rápidas de diversos elementos que pueden fijarse a acero estructural ignífugo, como conductos, plomería y accesorios eléctricos. Durante la instalación de dichos elementos, los materiales ignífugos suelen dañarse y es necesario retocarlos para garantizar su protección. Es mucho más fácil y rápido preparar y aplicar una pequeña cantidad de un IFRM a esas áreas en comparación con un SFRM.
Aplicaciones de recubrimientos más seguras
La propia naturaleza de los revestimientos intumescentes es por seguridad. Los recubrimientos están diseñados para retardar la transferencia de calor de un incendio al acero estructural para que el acero pueda mantener su integridad estructural durante un período de tiempo específico. Esa protección da tiempo a los ocupantes del edificio para evacuar y a los socorristas para potencialmente salvar grandes secciones del edificio o incluso toda la estructura del colapso. Con los SFRM, el material cementoso bloquea la transferencia de calor. Para los IFRM, los recubrimientos delgados reaccionan químicamente en un incendio y se hinchan hasta aproximadamente 50 veces su espesor de película seca (DFT), y ese carbón actúa como aislamiento para reducir la tasa de transferencia de calor.
La seguridad también puede ser una prioridad a la hora de aplicar revestimientos ignífugos. Aplicar IFRM a nivel del suelo en un taller es mucho más seguro que completar aplicaciones de IFRM o SFRM desde escaleras, andamios y ascensores cuando un edificio está en construcción. Cada trabajador está firmemente plantado en tierra firme dentro del taller (Figura 4) . Por supuesto, los aplicadores en el sitio aún necesitarán realizar algunos trabajos elevados para terminar el acero revestido fuera del sitio después de su montaje. Pero la mayoría de las aplicaciones de recubrimiento se realizarán desde el suelo para una experiencia general de recubrimiento más segura.
Mover el proceso de recubrimiento del sitio de construcción a un taller también minimiza los casos en los que los aplicadores de recubrimientos necesitan trabajar en otros oficios en el sitio y encontrarse con equipos peligrosos. Reducir esos posibles encuentros ayuda a aumentar la seguridad de todos los trabajadores en el sitio, no solo de los aplicadores.
Los talleres de aplicaciones también están estrictamente regulados por consideraciones de salud, seguridad y medio ambiente (HSE). Eso incluye ventilación y filtración adecuadas para contener la liberación de emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) durante la pulverización y mientras se curan los recubrimientos. En las obras, estas emisiones son imposibles de contener.
Además, la aplicación de IFRM en un entorno de taller controlado permite un mejor control de calidad para garantizar espesores de recubrimiento precisos en cada pieza de acero. Esta es una implicación de seguridad importante porque cada sección de acero debe tener un espesor de recubrimiento específico para cumplir con los requisitos de protección contra incendios especificados. Si los IFRM se aplican demasiado finos, es posible que no bloqueen la transferencia de calor el tiempo suficiente. Si se aplican demasiado gruesos, los recubrimientos podrían desprenderse por el peso del carbón. Trabajando desde el suelo, los aplicadores pueden tomar múltiples mediciones del espesor de la película húmeda y seca a través de una pieza de acero más fácilmente que cuando trabajan desde una escalera, asegurando que se aplique el espesor adecuado (Figura 5) .
Por último, es importante tener en cuenta que los SFRM pueden no ser compatibles con los entornos de producción de plantas de baterías para vehículos eléctricos. Los materiales cementosos son porosos y, por lo tanto, pueden permitir que los vapores corrosivos de las operaciones de fabricación de baterías penetren a través de ellos y alcancen el acero desprotegido que se encuentra debajo, promoviendo la corrosión. Además, los SFRM cementosos son propensos a descascararse, agrietarse y desprenderse del sustrato de acero, especialmente en un ambiente deshumidificado, similar a una sala limpia, que priva de humedad a los materiales cementosos. Por lo tanto, las áreas que pierden la cobertura total de SFRM tendrán menos protección contra incendios y potencialmente ya no cumplirán con la clasificación de protección contra incendios especificada del edificio. Además, cualquier escombro que caiga representa un peligro elevado que podría golpear a un trabajador y causar lesiones. Peor aún, incluso un pequeño trozo de cemento que caiga en una tina de mezcla de materia prima que contenga litio podría crear un ambiente extremadamente peligroso debido a las reacciones químicas que seguirían.
Costos más bajos y mejores resultados
La mayoría de los edificios construidos en los EE. UU. utilizan tecnología ignífuga cementosa SFRM basada en la tradición y la creencia de que es la solución menos costosa. Esto puede ser cierto al comparar las aplicaciones SFRM e IFRM in situ, que podrían costar alrededor de $6,5 millones y $10 millones, respectivamente, para impermeabilizar 100.000 pies cuadrados de superficie de acero (consulte la Tabla 1 ). Sin embargo, se pueden lograr importantes ahorros de costos al trasladar la mayoría (alrededor del 80%) de las aplicaciones de recubrimiento en taller, con costos que totalizan solo $5,6 millones para recubrir el mismo acero. Por lo tanto, los ahorros totales para aplicaciones IFRM externas oscilan entre aproximadamente $900.000 y $4,4 millones. En particular, los ahorros de costos reales podrían ser incluso mayores, ya que estas comparaciones utilizan el costo estimado más bajo por pie cuadrado para aplicaciones de SFRM en sitio y los costos estimados más altos para los métodos de aplicación de IFRM tanto en sitio como fuera de sitio.
Los ahorros de costos provienen de varias áreas. Por ejemplo, la aplicación de recubrimientos en el entorno de un taller reduce en gran medida o elimina los requisitos de uso de lonas, elevadores y unidades de calefacción en el sitio. Los aplicadores pueden moverse más rápido con costos de mano de obra significativamente reducidos, ya que solo se necesitan tres aplicadores durante 45 días en el taller en comparación con los seis a ocho miembros del equipo necesarios durante 60 a 90 días para aplicar la protección contra incendios en el sitio. El sitio de construcción no requerirá un área separada para almacenar y mezclar materiales de revestimiento. Además, las ventajas de secuenciación de proyectos que ofrecen las aplicaciones de taller permiten una gran cantidad de eficiencias en el sitio de construcción para una variedad de oficios.
Más allá de los ahorros de costos y la eficiencia, el proceso de protección intumescente del acero en un taller utilizando IFRM mejora la seguridad al eliminar las tareas peligrosas del lugar de trabajo y trasladarlas a un entorno controlado y seguro. Los aplicadores también pueden gestionar mejor la calidad para mejorar la estética y el rendimiento ignífugo. En última instancia, todos los beneficios que ofrece el enfoque IFRM aplicado en el taller ayudan a los propietarios de edificios a obtener mejores resultados generales del proyecto.
Tabla 1. Muestras de ofertas de protección contra incendios.
La comparación de los costos de aplicación para la protección contra incendios de 100,000 pies cuadrados de superficie total de acero revela ahorros significativos al trasladar las actividades de recubrimiento fuera del sitio a un ambiente de taller. Esto es cierto incluso cuando se utiliza el costo mínimo para los SFRM aplicados en el sitio y los costos más altos para los IFRM aplicados en el sitio o fuera del sitio, como se muestra a continuación:
IFRM aplicados en el sitio: $100/pie2 x 100,000 pies2 = $10 millones
SFRM aplicados en el sitio: $65/pie2 x 100,000 pies2 = $6.5 millones
IFRM aplicados en un taller: (Tienda: $45/pie2 x 80,000 pies2 ) + (En el sitio: $100/pie2 x 20,000 pies2 ) = $5.6 millones (*Aproximadamente el 20% de las aplicaciones de recubrimiento intumescente deberán realizarse en el sitio después de que el acero se construye, teniendo en cuenta los dos costos diferentes.)
SFRM aplicados en obra IFRM aplicados en obra SFRM aplicados en obra IFRM aplicados Producto Precio del recubrimiento Precio del recubrimiento Precio del recubrimiento Mano de obra 6 recursos 8 recursos 3 recursos Duración 60 días 90 días 45 días Horario (Días x Horas) 6 x 10 6 x 10 6 x 10 Cerramiento de lona Sí Sí N/D Ascensores 2 unidades 3 unidades N/D Unidades de calefacción 4 4 N/D Área de mezcla y almacenamiento Sí Sí N/D Limpieza Sí Sí N/D Estimación total por pie cuadrado $90-$100 $65-$80 $25-$45 Estimación total por pie cuadrado para bloqueos y retoques en el sitio N/D N/D $90-$100 Gastos totales $10 milliones $6.5 million $5.6 million
Referencias
SOBRE LOS AUTORES
Joseph Windover es ejecutivo de construcción de Sherwin-Williams Construction Solutions. Se unió a Sherwin-Williams en 2016 y actualmente es responsable de ayudar a los contratistas generales a construir instalaciones más seguras, rápidas y simples para la producción de semiconductores y celdas de baterías de vehículos eléctricos. Desde 2019, ha aportado su experiencia en la industria para ayudar con la construcción de 13 fábricas de baterías para vehículos eléctricos. Windover es miembro del comité de la Fundación Charles Pankow, donde ayuda a desarrollar innovaciones en pisos de acero modulares para la construcción de edificios altos. Es colaborador publicado del Institute for Construction Innovation y disertó en la Cumbre Advancing Integrated Project Delivery Summit en 2022.
Jacob Allard es ejecutivo de construcción de Sherwin-Williams Construction Solutions. Ha trabajado en Sherwin-Williams desde 2008 y actualmente ayuda a los fabricantes de automóviles a construir plantas de celdas de baterías para vehículos eléctricos más seguras, rápidas y simples. Él también ha aportado su experiencia en la industria para ayudar con la construcción de 13 fábricas de baterías para vehículos eléctricos desde 2019. Allard se ha desempeñado como presidente de los capítulos de Ohio e Indiana de NACE International, ahora AMPP, desde 2018. También disertó en la Cumbre Advancing Integrated Project Delivery en 2022 para compartir conocimientos sobre la construcción de plantas de vehículos eléctricos con otros líderes de la industria.
