Identificación de prestaciones en nuevas aplicaciones de vidrio estructural

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado consiste en la identificación de las prestaciones que se deben cumplir de cara al diseño de los elementos de vidrio estructural para aplicaciones actuales, novedosas e innovadoras.
Para la identificación de las prestaciones se comienza por una evaluación del estado actual del vidrio; posteriormente se hace una selección de obras innovadoras en aplicaciones existentes con vidrio estructural (fachadas, cubiertas, barandillas, suelos, escaleras, pilares y vigas) y se procede a la revisión de la normativa para cada una de ellas, en su mayor parte europea pero también internacional; de este modo se identifican las prestaciones de seguridad y criterios de diseño pertinentes, determinando a su vez las lagunas de conocimiento en cada caso.
En primer lugar, en el capítulo 1 se realiza una breve introducción del progreso de la tecnología del vidrio a través de la historia. La homogeneización de los resultados en los hornos de templado y laminado ha repercutido no únicamente en la calidad y acabado de los resultados sino que también ha permitido la creación de vidrios de grandes dimensiones, en concreto, de láminas rectangulares de 2 m x 3,5 m o incluso x 4 m. También ha habido un gran avance en cuanto a la estructura portante del vidrio mediante la creación de estructuras soporte más ligeras como costillas (fins) o vigas y el desarrollo de las soluciones atirantadas. Del mismo modo se han desarrollo los conectores pasando por fijaciones continuas mediante selladores estructurales hasta fijaciones puntuales mediante la perforación, o no, del vidrio (conexión química). Finalmente cabe destacar el desarrollo de los materiales ionoplásticos para las láminas intercalares de vidrio laminado que permiten un menor espesor una mayor luz del mismo.
Posteriormente en el segundo capítulo se hace un repaso de los métodos de fabricación y de transformación del vidrio. Para la mayoría de aplicaciones la resistencia mecánica que ofrece el vidrio recocido no es suficiente y, en ocasiones, tampoco lo es su geometría ni sus prestaciones energéticas y ópticas por lo que se le somete a procesos de transformación. De esta necesidad surgen los vidrios termoendurecidos, templados y laminados con mejores características mecánicas; los vidrios curvados con geometrías adaptables a las formas deseadas y los tratamientos de capas para mejorar las propiedades ópticas y energéticas.
A continuación en el tercer capítulo se concreta la definición de vidrio estructural y se propone un sistema de clasificación atendiendo a la relevancia estructural de los elementos.
También se explica el método utilizado para determinar la resistencia de diseño del vidrio y las combinaciones de acciones que se deben realizar para Estado Límite Último y Estado Límite de Servicio. Para determinar la resistencia de cálculo se modifica la resistencia característica del vidrio en función de unos factores que representan el valor de duración de la carga, los defectos de la superficie y el coeficiente parcial de seguridad del material.
En los capítulos siguientes se hace una revisión de cada una de las aplicaciones por orden de relevancia estructural. En todos ellos se sigue aproximadamente la misma metodología. Se parte de una selección y estudio de realizaciones actuales, posteriormente se hacen diversas propuestas de clasificación de los sistemas, destacando los más innovadores, y finalmente se realiza una revisión del marco normativo actual nacional e internacional, identificando las prestaciones estructurales, de seguridad y de habitabilidad en cada aplicación.
Dentro de las obras de cerramientos y cubiertas se ha observado la utilización de vidrios cada vez mayores, de vidrios curvados en frio y caliente, y de vidrios multifuncionales con características energéticas y ópticas mejoradas que ayudan a optimizar las prestaciones de habitabilidad y confort del edificio. Se ha hecho un repaso de las conexiones y se destaca la gran variedad que hay en fijaciones de apoyo puntual con multitud de tipologías de rotulas, aranas y presillas. La más innovadora es sin duda la fijación puntual mediante conexión química con adhesivo estructural. En cuanto a las acciones se ha observado que para algunas (explosión, intrusión, huracanes, equipotencialidad, tensión - deformación térmica, presión interna en UVA) se debe acudir a normativas europeas o internacionales.
En barandillas y acristalamientos se destacan las soluciones singulares de barandillas de vidrio laminado de una sola pieza y las barandillas de vidrio curvo, sobre todo, en escaleras.
Se ha observado su utilización, cada vez mayor, en escaleras de viviendas, piscinas o centros comerciales. En cuanto a prestaciones de seguridad se ha recurrido a las normas nacionales de cada país y se han encontrado métodos diferentes de verificación en cada caso. Cabe señalar que en ningún documento se especifican las flechas máximas admisibles aunque si se dan soluciones aceptadas. Actualmente hay un gran potencial de investigación en cuanto a intercalares innovadores, resistencia al fuego e impacto y resistencia post-rotura. Sería conveniente incorporar en normativa métodos de ensayo post-rotura para asegurar una cierta resistencia residual tras el fallo de la barandilla.
En el caso de suelos se aprecian cada vez más realizaciones en forma de pasarelas y puentes y destaca su uso en centros comerciales y edificios de interés turístico (balcones de vidrio en rascacielos). Merece ser destacado el desarrollo de nuevos anclajes: insertos metálicos embebidos en el vidrio laminado. En el repaso de normativa se ha observado que las normas de requisitos de prestaciones y ensayo son diferentes en la mayoría de países. Además se deberían incluir métodos de ensayo post-rotura y ensayos de resistencia a impacto para configuraciones con apoyos puntuales, y así verificar las prestaciones de seguridad.
Para escaleras de vidrio se recalca su uso cada vez más numeroso, sobre todo en arquitectura comercial (Apple Store) e industrial pero también en viviendas. Son destacables las conexiones entre peldaños y barandillas mediante insertos embebidos en los vidrios y el uso de barandillas de una sola pieza. En normativa se ha observado que se dan especificaciones generales para el diseño de escaleras pero no para escaleras de vidrio y que se deberían incluir ensayos de resistencia post-rotura, al igual que en suelos y barandillas.
Con relación a los elementos principales, pilares, ha habido poca evolución tipológica puesto que en realizaciones de los años 90, ya se encontraban las configuraciones de costilla (fins) o pilares exentos de sección cruciforme. Se destaca el gran potencial de trabajo existente a nivel de investigación donde se están generando nuevas geometrías. Se ha observado que las comprobaciones estructurales se pueden realizar por verificación de cálculo sin embargo la resistencia post-rotura o acciones accidentales normalmente se estiman con procedimientos experimentales.
Finalmente, en los elementos principales, vigas, si se ha apreciado una evolución tipológica.
Por limitaciones del material no se fabricaban vigas continuas de larga longitud debiendo recurrir a secciones unidas mecánicamente o diseños singulares, pudiendo alcanzar por ejemplo longitudes de 14 m combinando secciones de 4 m. Es destacable el avance de adhesivos estructurales y su alta transparencia que ha permitido fabricar vigas de grandes longitudes, aparentemente continuas, pero formadas en realidad por láminas contrapeadas.
Hay un gran potencial de investigación en esta línea que está tratando de optimizar la respuesta estructural de las vigas reforzándolas en la cara traccionada con distintos materiales e incluso con cables de pretensado y postesado. Se ha observado que, de nuevo, las comprobaciones estructurales en los diseños sencillos se pueden realizar por verificación de cálculo. Sin embargo para diseños complejos se requiere de validación por experimentación en las conexiones, determinación de resistencia post-rotura y ante acciones accidentales.