Estudio de la influencia de la rigidez estructural de conexiones en el dimensionado de acristalamientos

Guzmán LLadós, Ada (2017). Estudio de la influencia de la rigidez estructural de conexiones en el dimensionado de acristalamientos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Estudio de la influencia de la rigidez estructural de conexiones en el dimensionado de acristalamientos
Autor/es:
  • Guzmán LLadós, Ada
Director/es:
  • Pacios Alvarez, Antonia
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Acristalamientos, cerramientos ligeros, fijación, rigidez en apoyos, enmarcado, fijación puntual, fijación adhesiva, perforación, grapa, placas, resistencia vidrio.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La utilización de acristalamiento en cerramientos ligeros dota a las edificaciones singulares de características estructurales y medioambientales propias. En la mayor parte de las ocasiones el uso de vidrio se limita a funciones secundarias de cerramiento (elementos planos) sobre una estructura primaria de acero o aluminio. Sin embargo, existen aplicaciones en las que se han diseñado elementos con función estructural, tanto verticales (fins) como vigas tal como se puede observar en el Anejo de este documento. Ya en los años 80 existían edificaciones con acristalamiento de vidrio a pesar de no disponer de una normativa de diseño específica, por lo que resulta muy difícil la optimización. Prueba de la importancia de las construcciones con vidrio actualmente, desde la Unión Europea se trabaja actualmente en la redacción de un Eurocódigo de vidrio estructural (Eurocódigo 10), cuya aparición está prevista para los próximos años. Este Documento iguala el vidrio a otros materiales estructurales como son el acero o en hormigón y unifica las normativas estatales existentes. En los documentos de trabajo se observa la influencia que las condiciones de contorno tienen en la respuesta del acristalamiento. Las fachadas ligeras disponen de dos conjuntos que pueden influir en la rigidez del acristalamiento. El primer conjunto resuelve la unión directa al vidrio, que puede ser una sujeción puntual o lineal (enmarcada o adherida). Seguidamente, se necesita una subestructura o estructura auxiliar que sea estructuralmente solvente; ésta se puede sintetizar en perfilería metálica, jácenas vítreas o sistemas pretensados. Para realizar la fachada con éxito se debe combinar de forma coherente ambos conjuntos. Bien sea para el uso de modelos analíticos sencillos, el empleo de elementos finitos y datos obtenidos experimentalmente, la caracterización de las rigideces de las uniones vidrio-fijación y fijación-subestructura es un valor que se debe conocer. Este trabajo presenta el estudio de la influencia de la rigidez estructural de placas y conexiones en el dimensionamiento de acristalamiento. Un acristalamiento o fachada ligera se compone de elementos estructurales, elementos de relleno y elementos de fijación. Los elementos de relleno forman la estructura auxiliar, que es la responsable de transferir las fuerzas desde la fachada ligera a la estructura del edificio. Las placas de vidrio se consideran como elementos de relleno y finalmente las fijaciones son las responsables de la unión del panel de vidrio con la subestructura. El objetivo de este documento es, en efecto, conocer la influencia de las condiciones de contorno en la respuesta de las placas de vidrio. El primer enfoque busca la generación de una visión sistemática, analítica y panorámica del cerramiento en vidrio. Un enfoque para contextualizar, aprehender y abstraer los principios de una fachada ligera. En el apartado 1 se presentan los antecedentes en cerramientos de vidrio, el uso del vidrio como material estructural, se clasifican las tipologías de fachadas ligeras de vidrio y se estudian sus componentes. Además, se hace un breve resumen de toda la normativa aplicable a cerramientos relativa a exigencias básicas para el diseño de fachadas ligeras en función de requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. Es importante también conocer la normativa que han utilizado distintos países (destacan Alemania, Francia, Italia o Estados Unidos) y su convergencia en el Eurocódigo 10, el Eurocódigo de Vidrio Estructural; se han actualizado los documentos de nueva creación en relación al uso del vidrio en la construcción. Con el objetivo de disponer de dimensiones y configuraciones reales de acristalamientos, en el apartado 2, se realiza una revisión de aplicaciones concretas presentadas en congresos o publicadas en revistas técnicas. A través de una vasta investigación sobre aplicaciones, se escogen 20 edificaciones con acristalamientos significativos. La información relevante se recoge en el anejo I de este documento. Como se ha mencionado se han seleccionado un total de 20 edificaciones o aplicaciones y se incluyen construcciones localizadas en la Unión Europea, así como en Estados Unidos, Arabia Saudí o Japón a lo largo de las últimas dos décadas. A partir de la información obtenida, se genera un estudio sistémico de la fachada, en forma de ficha técnica, y calculando (en la mayoría de ellas) parámetros de tensión máxima en el vidrio y valores de flecha alcanzados. La mayor parte de los casos se mantienen ente áreas de paneles entre 4 y 6 m2 de vidrios aislantes con espesores de hojas de vidrio laminado de 6-12 mm y cámara aislante entre 10 – 16 mm. La configuración de borde más identificada es la de fijación lineal de enmarcado en 4 lados, como el caso de Colchester Arts Center o ERCO P3 Automatic Warehouse. También se encuentran casos de fijación puntual con perforación (Abotonadura, Markthal) o sin perforación (Grapas, Mall of Arabia). Respecto a las configuraciones de subestructura, se han encontrado en mayor medida disposiciones de montantes y travesaños, además de estructuras auxiliares en forma de cerchas o celosías o sistemas de redes pretensadas de gran interés tecnológico. Cabe destacar el uso de estructura auxiliar de vidrio, en forma de montantes y travesaños, como en los casos de H&M 5thAvenue, Torre Castelar o o Broadfield House. La mayor parte de las tipologías de montaje utilizadas en los casos de estudio son mediante sistemas Unitized de uno o varios módulos; como ejemplos de montaje en módulos se proponen las soluciones de Sede Banco Popular Luca de Tena, Twin Towers, así como Mall of Arabia y NAT Barajas. Esta primera parte pone en valor las tendencias constructivas que rigen actualmente en cerramientos ligeros y la demanda social. En base a estos dos indicadores es posible centrar una nueva parte del documento, en el estudio de las fijaciones del vidrio y como la geometría o materiales pueden influenciar la rigidez y con ello las tensiones y deformaciones en los acristalamientos. El segundo gran hilo conductor de este texto se trata de un aumento del “zoom” sobre la fachada. Se enfoca la mirada en cómo el vidrio se sustenta en la fachada. En las fijaciones que sirven de unión, en la manera que las cargas son transmitidas a la estructura del edificio. A partir de esta cuestión se desarrolla el cuarto apartado de este documento. La rigidez es responsable directa en este traspaso de cargas. Aún más, será una de las máximas condicionantes del dimensionamiento de la fachada. En el capítulo 3, a partir de una clasificación de los sistemas constructivos más destacados y través de la revisión de fichas técnicas, catálogos comerciales de fabricantes y aplicaciones, se realiza un estudio pormenorizado de cada sistema, así como los modelos constructivos más generalizados y sus características comunes con el objetivo de hacer una propuesta de modelos simplificados que representen la conexión. Se diferencian cuatro grandes tipos de fijaciones puntuales al vidrio: adhesiva, en grapa, con perforación recta y con perforación avellanada. Cada tipo clasificado puede ser o no rígido. Además, se identifican las dimensiones más representativas y se dimensionan varios ejemplos de cada tipo. Se realiza una recopilación sobre parámetros mecánicos de los materiales más comunes utilizados en la función de apoyos elásticos, separadores, cabezas y pernos. Existen programas comerciales aplicados a construcción con vidrio que incorpora propiedades mecánicas de los materiales más característicos. El formato para incorporar las acciones es bastante amplio pero cerrado; la combinación de las mismas puede seguir normativa específica (DIN 18008 y ASTME 1300) aunque permite también incorporar combinaciones particulares. Este programa identifica 10 tipos de fijaciones de vidrio referencia, pero no facilita los grados de libertad de las mismas. Dado que tampoco se obtienen de los fabricantes se hace necesario realizar un cálculo simplificado de la rigidez de las fijaciones puntuales, por componentes y combinado y se presentan en el apartado 4. Se tienen en cuenta únicamente las cargas aplicadas en sentido perpendicular al plano del vidrio y se establece un único grado de libertad en el sistema, el cual se corresponde con el desplazamiento en la dirección perpendicular al plano del vidrio. Se trata de un problema de flexión del vidrio, dado que las cargas perpendiculares son las que hacen flectar al vidrio. Están desacoplados porque es un vidrio plano. En general, por la disposición de los componentes de la fijación o herrajes que conectan el vidrio a la subestructura, la rigidez equivalente se calcula con las rigideces de los distintos componentes en serie, dado que la fuerza aplicada que corresponde con la presión de viento es la misma en el conjunto del herraje. Para el cálculo de la rigidez en la unión entre fijación al vidrio y pata de araña se presentan dos escenarios: una unión rígida o unión articulada. La unión a la subestructura siempre se considera rígida para ambos escenarios, dado que es una unión donde el giro y el desplazamiento están impedidos. La fijación en grapa rígida resulta ser la que tiene un mayor valor de rigidez, siendo la perforación recta la que menos. En uniones articuladas, la unión adhesiva es ligeramente la que mayor valor de rigidez aporta al conjunto. La unión puntual por perforación recta se erige como la fijación más perjudicial, aunque se asemejan todas dentro de valores entre 5 y 20 kN/mm para uniones rígidas y entre 3 y 12 kN/mm para uniones articuladas. En relación con los valores obtenidos experimentalmente, respecto a la configuración en cuatro puntos (4P), la rigidez del apoyo puntual documentada por ensayo es del mismo orden de magnitud que la calculada analíticamente en este Trabajo Fin de Grado, en concreto se trabaja con un valor experimental obtenido de 15 KN/mm. El software comercial MEPLA señala valores de rigidez en el grado de libertad que se ha considerado para los cálculos de no menos de 10 KN/mm y además establece que la rigidez de los elementos metálicos en fijaciones puntuales es infinita. Este último dato también coincide con los cálculos realizados, dando valores de dos o tres órdenes de magnitud mayores a la rigidez del adhesivo.

Más información

ID de Registro: 45304
Identificador DC: http://oa.upm.es/45304/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45304
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 27 Mar 2017 06:50
Ultima Modificación: 27 Mar 2017 06:50
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