03.2020

Vidrio estructural - Conceptos de diseño

 

Tras comentar las principales propiedades del vidrio como material estructural en el primer post de esta serie, pasamos ahora a ver las particularidades del diseño de elementos de vidrio estructural.

El diseño de elementos de vidrio consta por lo general de tres fases que se realizan de manera iterativa. En primer lugar un predimensionamiento tomando muchas simplificaciones, en segundo lugar un análisis más detallado por medio de métodos analíticos y finalmente un ensayo para verificar completamente el diseño antes de su puesta en obra. Las exigencias de este ensayo depende del tipo de elemento de vidrio y de la normativa correspondiente.

Como en cualquier otra estructura es necesario establecer cuáles son las exigencias que tiene que cumplir antes de comenzar cualquier proceso de diseño. Una de las formas más habituales de establecer los requisitos que debe satisfacer el elemento es por medio de los estados límite. Esto incluye los estados límite últimos de resistencia, inestabilidad y equilibrio, pero también estados límite último adicionales a los habituales como roturas seguras o un comportamiento específico post-rotura. Los estados límite de servicio en cambio, son similares a los de cualquier otro elemento estructural. Recogeremos en este post las consideraciones a tener en cuenta durante la elección de estas situaciones de diseño, así como la afección sobre estas en función de las distintas posibles configuraciones de los elementos de vidrio.

Es importante tener siempre presente la rotura frágil del vidrio a la hora de diseñar cualquier elemento, ya que al contrario de los materiales habituales utilizados en la construcción el vidrio no permite redistribuir concentraciones de tensiones por medio de plastificaciones locales. Esto implica que todo el proceso de detalle tiene que realizarse con cuidado y conociendo perfectamente el comportamiento de los materiales involucrados, ya que un ligero contacto entre vidrio y cualquier otro elemento mucho más rígido, como el acero o el aluminio, podría provocar la rotura del vidrio. Es por este motivo por el que los modelos para el análisis de este tipo de estructuras son complejos (modelización de las conexiones, los apoyos del vidrio, las interacciones entre estos elementos, etc.)

Análisis de riesgos

Es importante en este tipo de elementos hacer un correcto análisis de los posibles riesgos y de cuál será la actitud frente a ellos. Se parte de la base de que, generalmente, es imposible diseñar una estructura para resistir cualquier amenaza imaginable. Se establece por tanto la premisa de diseñar la estructura con capacidad suficiente para desarrollar un comportamiento aceptable bajo las amenazas más probables.

Un elemento estructural puede verse comprometido fundamentalmente por dos razones: verse sometido a acciones no consideradas durante la fase de diseño, o bien ser planificada o construida de una manera deficiente. Estas situaciones supondrán una amenaza a la integridad estructural del elemento. Frente a estas amenazas podrán adoptarse distintas estrategias:

Diseñar la estructura para soportar las amenazas (si fuese posible)

Tomar medidas para reducir la probabilidad de que la amenaza ocurra

Aceptar la amenaza como posible riesgo

 

Si la estructura se diseña para soportar amenazas particulares, es necesario definir de cuales se trata. En base a estas amenazas concretas se obtendrán una serie de situaciones accidentales, que se tendrán en cuenta durante el diseño y dimensionamiento en paralelo con las acciones habituales. Esta forma de afrontar las amenazas no suele ser viable para la mayoría de estructuras de vidrio. Esto se debe a que el comportamiento adecuado del vidrio frente a estas amenazas supondría diseñar asumiendo un escenario de "no rotura", que habitualmente lleva a vidrios de espesor demasiado elevado, conexiones complejas, etc.

La estrategia más recomendable será la de tomar medidas que eviten esas posibles amenazas a la estructura, simplificando la complejidad de los elementos y reduciendo la cantidad de material empleado. Esta sería la línea de actuación más alineada con la optimización estructural. En Neikō creemos que una de las principales preocupaciones de la industria de la construcción a día de hoy debería ser la reducción de la huella de carbono asociada a toda obra y estas medidas contribuyen mucho a ello. La forma más segura y rentable de adoptar estas medidas conllevará estudiarlas e introducirlas desde las primeras fases del diseño.

En último lugar existe la opción de aceptar la posibilidad de fallo de la estructura. Esto puede ser adecuado cuando la probabilidad de ocurrencia de la amenaza es suficientemente baja, cuando las consecuencias del fallo son suficientemente inocuas o cuando la combinación de ambos parámetros se considere aceptable. Este análisis de riesgos es necesario realizarlo de manera sistemática y bajo los criterios de la normativa correspondiente en cada momento.

Composiciones típicas de vidrio

Usaremos la palabra composición para hablar de las tres formas en las que se presenta el vidrio habitualmente en la construcción. En la práctica es normal que al hablar de composición se den más datos del vidrio como los espesores, pero aquí comentaremos fundamentalmente las diferencias entre vidrio monolítico, vidrio laminar y vidrio con cámara o aislante.

Vidrio monolítico

El vidrio monolítico es el que está compuesto por una única pieza de vidrio.

Vidrio laminar

El vidrio laminar es el que está compuesto por 2 o más piezas de vidrio unidas entre sí por una o varias láminas para formar un único elemento. El material componente de esta lámina es comúnmente el PVB (Butiral de polivinilo), pero existen otras opciones como el SentryGlas de DuPont, o alternativas menos comunes como el etal-vinil acetato (EVA) o resinas sintéticas. Aunque en la mayoría de sus casos así sea, no todos los vidrios laminados pueden considerarse vidrios de seguridad, definidos como tal "aquellos que, en caso de rotura, intercalario (elemento uniendo las capas de vidrio) sirve para retener los fragmentos de vidrio en su sitio, limitar la abertura, ofrecer una resistencia residual y reducir los riesgos de heridas por corte o penetración" según la UNE-EN ISO 12543, esto se resume en una clasificación mínima de 3B en el ensayo de péndulo recogido en la UNE-EN 12600.

Vidrio con cámara o aislante

Es un vidrio compuesto por dos o más paneles de vidrios monolíticos o laminares, separados mediante espaciadores y sellados dejando entre ellos una cámara con aire o gas. Su uso principal es el de mejorar el comportamiento térmico del vidrio (aislamiento).

Comportamiento post-rotura

En el análisis de riesgos asociados a una estructura de vidrio, el comportamiento post-rotura de cada una de las composiciones anteriormente recogidas será fundamental. Como comentamos en diversas ocasiones la rotura frágil del vidrio hace que esta ocurra de manera imprevisible, normalmente sin dar tiempo a actuar para evitarla. Por ello es necesario que, pese a producirse un fallo en un elemento, este mantenga la integridad suficiente para garantizar que no hay daños y que se puede proceder a su reemplazo de manera segura.

Se puede garantizar un correcto comportamiento post-rotura tanto a nivel de elemento como de la estructura en su conjunto. A nivel del elemento se consigue haciendo que el elemento falle solo parcialmente o al menos de manera dúctil, y a nivel de estructura con sistemas de redundancia y redistribución de cargas.

La redundancia y la redistribución de cargas evita que grandes partes de la estructura fallen, pero solo esto no es suficiente ya que el fallo de un único vidrio puede suponer consecuencias muy graves. En un vidrio pisable, o en una barandilla, el fallo de un único elemento tendría consecuencias terribles si no se garantiza cierta integridad tras la rotura.

El vidrio en sí mismo no posee ninguna ductilidad, por tanto es necesario conseguirla por otros medios. El vidrio laminar con PVB normalmente garantiza un buen comportamiento post-rotura, actúa en cierta medida del mismo modo que el hormigón armado. El vidrio fracturado, incapaz de trasmitir tensiones soporta las compresiones y la lámina de PVB las tracciones. El vidrio presentará un buen comportamiento post-rotura mientras se puedan equilibrar las fuerzas exteriores con este mecanismo interno. Es habitual pensar por lo tanto que un vidrio laminar con PVB garantiza siempre una seguridad adecuada pero no es suficiente para todas las composiciones de vidrio y todos los usos.

Por ejemplo el uso de un vidrio laminar, con ambos vidrios templados y lámina de PVB no es capaz de presentar una buena integridad tras el fallo. Esto se debe a la incapacidad del vidrio templado para transmitir compresiones correctamente una vez roto, lo que imposibilita el efecto "bloqueo", que es fundamental para conseguir estabilidad tras rotura. Este es un efecto conocido que se denomina habitualmente efecto manta. Para evitar este comportamiento bastaría con termoendurecer en lugar de templar uno de los vidrios que conforman el compuesto, asegurando la rigidez del mismo una vez roto.

 

A nivel de la estructura en su conjunto se consigue esta capacidad post rotura por medio de mecanismos redundantes de transmisión de las cargas, es necesario tener en cuenta que una redistribución de cargas implica que los elementos que no han fallado tendrán que soportar una carga adicional. Es importante que esta carga adicional se considere en el diseño, ya que no hacerlo podría llevar a fallos en cremallera con el colapso total o parcial de gran parte de la estructura.

Para ilustrar el comportamiento post-rotura de los elementos de vidrio aquí os dejamos un vídeo donde se compara el comportamiento de 3 composiciones distintas de vidrio actuando en ménsula, frente a una carga de impacto.

En el próximo post veremos a que cargas pueden estar sometidos los elementos de vidrio estructural así como las consideraciones generales para su cálculo.