03.2020

Vidrio estructural - Acciones sobre los elementos

 

En el segundo post hablábamos sobre las particularidades del diseño de estructuras de vidrio. Una vez comentados estos detalles sobre el diseño, nos permiten meternos de lleno en todos los tipos de cargas a los que se ven sometidas estas estructuras y las particularidades en las mismas asociadas al vidrio.

Trataremos por tanto en este post de explicar los distintos tipos de cargas a los que se ve sometida una estructura compuesta total o parcialmente por vidrio. El objetivo es comentar sus características, centrándonos especialmente en los detalles que las hacen diferentes de las que estamos acostumbrados a ver en estructuras de acero u hormigón.

Ya hemos comentado en el primer post la importancia de las fisuras en el vidrio, esto hace que cualquier acción que pueda provocar fisuras (sean del tamaño que sean) en el vidrio, tengan que ser tenidas en cuenta. Esta es una de las razones por las que se debería de tener en cuenta toda la historia de tensiones sobre el vidrio desde su producción. Este historial completo de tensiones en el vidrio sería la forma más precisa de estudiar el comportamiento del vidrio y evaluar su resistencia, y esto lo hace diferente a la aproximación con valores límite que se suele tomar en el la mayoría de materiales de construcción. Sin embargo las normativas y recomendaciones actuales solo aportan información sobre estos valores máximos de resistencia, independientemente de la historia de cargas. Si no se tiene en cuenta la resistencia intrínseca del vidrio y únicamente se consideran las tensiones residuales producidas por los tratamientos térmicos, esta aproximación con valores límite es suficientemente precisa, a la vez que facilita enormemente el proceso de cálculo.

Estudiaremos las acciones en sí, es decir, cuál es el fenómeno que las causa y cuál es la forma de evaluar ese fenómeno a la hora del cálculo de la estructura. Si en algún momento se cita algún detalle en cuanto a normativa, incluiremos la referencia al documento correspondiente, pero cada normativa tiene sus particularidades y eso se escapa al alcance de este post.

Cargas de viento

El estudio de la acción del viento sobre elementos de vidrio se realiza de una manera muy similar al método empleado habitualmente para el cálculo de estructuras. La influencia del viento sobre la estructura se suele describir por medio de dos parámetros, la velocidad media del viento y la intensidad de turbulencia. El cálculo por medio de estos dos parámetros es válido para la mayoría de casos. En cambio cuando se trata de estructuras esbeltas esta simplificación puede no ser suficiente. Si la frecuencia natural está por debajo de 1Hz aproximadamente, pueden ocurrir fenómenos de resonancia donde es necesario un estudio en detalle para garantizar el correcto funcionamiento del elemento.

Actualmente los métodos de verificación incluidos en las normativas suelen realizarse por medio de fórmulas, basadas en estudios probabilistas del fenómeno. Este enfoque no es aplicable a todos los casos, ya que por ejemplo los vórtices y turbulencias generados en torno a los bordes de los elementos no siguen una distribución normal. Es entonces, cuando el comportamiento estructural dista del alcance de las normativas, cuando es necesario recurrir a ensayos en túnel de viento o a modelos CFD (Computational fluid dynamics), que modelizan numéricamente la interacción fluido estructura. La técnica del CFD es todavía relativamente "nueva" y cada vez se empieza a aplicar más, pese a que todavía requiere de mucha potencia de computación para la elaboración de modelos complejos.

Correlación entre carga de viento y temperatura

En las estructuras de vidrio es especialmente importante la interacción entre la carga de viento y la temperatura, debido a la presencia habitual de vidrios laminados. El PVB, así como la mayoría de compuestos utilizados para la fabricación de vidrio laminar, son materiales viscoelásticos. Este comportamiento hace que sus propiedades sean dependientes del tiempo, la temperatura y la carga aplicada. Estos polímeros empleados para la fijación de las láminas de vidrio experimentan fluencia cuando se somete a cargas durante un periodo largo de tiempo y disminuyen su resistencia cuanto más altas son las temperaturas, haciendo que sea preciso considerar estos factores en la verificación de los elementos de vidrio laminar. Por este motivo es una práctica habitual considerar que no existe transferencia de esfuerzo cortante entre hojas de vidrio cuando este está sometido a cargas prolongadas.

Sin embargo, cuando las cargas son de poca duración, la transferencia de cortante que se produce entre las láminas de vidrio, depende directamente de las propiedades viscoelásticas del polímero que las une. La consideración de que la máxima carga de viento para un período de retorno (T), se produce simultáneamente con la máxima temperatura para ese mismo período, es una consideración poco probable y que llevaría a un sobredimensionado excesivo de todos los elementos. Es por este motivo por el que surgen gráficos como el siguiente, en el que se recoge un estudio de la correlación entre carga máxima de viento y su duración con la temperatura de ocurrencia asociada.

 

Estos gráficos están realizados en base a datos de la Europa Continental, y serían aplicables a estos países. Hay otros estudios donde se indica que se podría tomar como valor de G (Módulo de cortante) del PVB un valor de 0,4 MPa para la máxima carga de viento. (El gráfico recogido en este documento ha sido obtenido de la guía Guidance for European Structural Design of Glass Components, y original del documento Wellershoff, F.: Nutzung der Verglasung zur Aussteifung von Gebäuden. Doctoral thesis, RWTH Aachen University, Issue 57, 2006.)

Cargas sísmicas y movimientos

Actualmente se está investigando más acerca del comportamiento del vidrio frente a situaciones extremas como huracanes o terremotos, aunque todavía no hay una gran bibliografía al respecto pese al riesgo que pueden suponer estos eventos para los elementos de vidrio. En general se ha comprobado que el vidrio recocido y termoendurecido laminar, presenta el mejor comportamiento frente a estos eventos. También es importante destacar que el vidrio pegado a la estructura ofrece mejoras sustanciales frente a otros métodos de fijación en estos casos.

Cargas de impacto

Toda unidad de vidrio susceptible de recibir golpes deberá ser diseñada para resistir impactos dinámicos de origen humano (paramentos, barandillas, puertas de vidrio, etc.). Existentes distintas metodologías para abordar el análisis del proceso de impactos dinámicos en el vidrio. Como una primera aproximación, el impacto se puede asemejar a una carga estática aplicada sobre el vidrio. La magnitud de esta carga estará en el entorno de los 1,5 kN y su punto de aplicación entre 1 y 1,2 m sobre el suelo, dependiendo de la normativa considerada. En elementos de vidrio especiales (por ejemplo, en paramentos sujetos de manera puntual) y particiones con función estructural (barandillas y muros, vidrio en muros cortina, etc.) se deberá de tener la precaución de efectuar ensayos dinámicos. Para paramentos verticales se efectuará el ensayo de impacto de cuerpo blando (definido en la UNE EN 13049). Para vidrios horizontales se efectuarán ensayos de impacto de cuerpo rígido, simulando la caída de un objeto contundente desde una altura determinada para asegurar la ausencia de riesgo personal o material por rotura del vidrio. De manera previa a los ensayos y a modo de dimensionamiento es posible realizar análisis numéricos dinámicos a través de modelos de elementos finitos del vidrio a estudio.

Explosiones

El principal origen de heridas causadas a raíz de explosiones es la proyección de fragmentos de vidrio. Por tanto, el principal objetivo a la hora de analizar el comportamiento del vidrio frente a explosiones será el de minimizar estos daños causados por partículas de vidrio proyectadas a causa de la explosión. Los objetivos secundarios se centrarán en minimizar los daños materiales ocasionados, así como el posibilitar la reocupación del edificio o instalación lo antes posible.

Al producirse una explosión, una ola de altas presiones se expande rápidamente y de forma radial desde el origen de la explosión hacia el medio circundante, generando una onda de choque formada por aire comprimido. La onda de choque produce un aumento prácticamente instantáneo de la presión, con un descenso gradual generalmente seguido por un efecto de succión o presión negativa, de intensidad mucho menor pero de más duración. La intensidad de la onda de choque se verá reducida de manera progresiva con la distancia al origen, mientras que su duración se dilatará. Usualmente esta onda de choque no genera daños estructurales graves, pero sí afecta en gran medida a revestimientos y superficies de vidrio.

La onda de choque actúa de manera paralela con la ráfaga de viento asociada a la explosión. Esta es causada por el movimiento de las moléculas de aire debido a la presión dinámica asociada a la explosión. Cabe tener en cuenta que en el caso de explosiones en lugares no confinados los efectos de la onda de choque son mucho mayores que aquellos asociados a las ráfagas de viento. La configuración tanto del terreno como de los volúmenes en torno al punto de explosión pueden influir y amplificar la misma (fenómeno conocido como presión reflejada), y por tanto serán un parámetro más a considerar durante la obtención de la carga asociada a explosiones durante el diseño del vidrio.

El estudio del comportamiento del vidrio frente a explosiones ha de comenzar por un análisis de riesgo combinando la probabilidad de ocurrencia de la explosión y las posibles consecuencias del fallo del vidrio asociado a esta. En general no es una labor fácil definir el evento de explosión, ya que dependerá del tipo de explosión, tamaño del artefacto explosivo, emplazamiento del mismo… Algunos países poseen documentos de guía y asesoramiento profesional en evaluación de amenazas.

A la hora de afrontar el diseño de una unidad de vidrio frente a explosiones existen principalmente dos opciones. La primera de ella consiste en asumir un escenario de "no rotura" del vidrio, en el cual este se diseña para resistir la explosión. Generalmente, como resultado de esta estrategia obtenemos vidrios de demasiado espesor y de coste más elevado instalados en carpinterías pesadas y de elevada resistencia. Es por esto que siempre que sea posible deberemos recurrir a la segunda opción, ya que en ella la optimización es mayor, reduciendo el despilfarro de materiales y el coste asociado. Esta segunda opción, la más empleada, se centra en conseguir una rotura segura del vidrio. Este objetivo puede alcanzarse mediante el uso de films anti-rotura, cortinas o redes protectoras anti explosiones, o la combinación de vidrios templados laminados de seguridad con capa de PVB de une espesor adecuado, instalados en carpinterías adecuadas. La estrategia de esta opción se centra en absorber la energía de la explosión a través de la rotura del vidrio y la deformación visco elástica de la capa de PVB.

Desafortunadamente no existe en el mercado ningún software capaz de simular correctamente el comportamiento en rotura del vidrio laminado. En consecuencia, se hace necesaria la realización de ensayos destructivos sobre muestras del vidrio objeto de estudio. El objetivo es evaluar el riesgo de las consecuencias asociadas midiendo la distancia a la que los fragmentos de vidrio son proyectados hacia el interior del cubículo de ensayo en el cual se fija el vidrio. La explosión puede ser simulada mediante una carga explosiva real o a través de una probeta impactando directamente sobre la superficie del vidrio. En el siguiente video pueden observarse los mecanismos de actuación de las soluciones comentadas.

Carga de presión interna en unidades de vidrio aislante

La presión diferencial entre la cámara interna de las unidades de vidrio aislante y el ambiente exterior puede causar tensiones y deformaciones importantes en las láminas de vidrio. Estas presiones diferenciales pueden ser causadas por la diferencia de altura entre el lugar de fabricación y el de colocación del vidrio, por incrementos o descensos en la temperatura ambiente, o por variaciones de la presión atmosférica. Estas presiones pueden provocar tensiones nada despreciables cuando el vidrio es demasiado grueso o de dimensiones reducidas (y por tanto rígido) o cuando su deformación está impedida. Los vidrios curvos, debidos al aumento de la rigidez simplemente por su geometría también pueden sufrir tensiones de entidad por esta causa. Cuando estas cargas son críticas, pueden llegar a incluirse válvulas de regulación de la presión interna en las cámaras de los vidrios aislantes.

A mayores, no se deben de considerar únicamente las tensiones generadas por este fenómeno, ya que en láminas de vidrio demasiado deformables (generalmente en vidrios planos, debido a su tamaño o escaso espesor) la deformación de esta capas puede producir distorsiones visuales. Por esta razón, generalmente, las láminas de vidrio de mayor espesor se suelen situar en la cara exterior de las unidades de vidrio aislante, mientras que aquellas de menor espesor se sitúan en la cara interior. De esta manera se consigue forzar la deformación a causa del aumento o disminución de la presión interna hacia el interior del paramento, evitando las distorsiones visuales en los reflejos sobre el exterior de las fachadas de vidrio.

 

Diferenciales de temperaturas

El estrés térmico en los vidrios generalmente se encuentra asociado a gradientes de temperatura en la superficie del vidrio. El origen de estos gradientes puede estar bien en la distinta incidencia del sol sobre la superficie del vidrio, o bien por la proximidad de dispositivos en las inmediaciones del vidrio que calienten alguna de sus partes.

En el caso del sol como fuente del calentamiento, tal y como explicamos en nuestro primer post de la serie de vidrio estructural, parte de la energía incidente es absorbida por el vidrio debido a sus imperfecciones, aumentando su temperatura. Por tanto, cuando parte del vidrio está en sobra, o bien en vidrio enmarcado por carpinterías (zona dentro de la carpintería en sombra), solo las zonas fuera de la sombra sufrirán este incremento de temperatura.

Cuando la energía acumulada en el vidrio proviene de un dispositivo cercano, el gradiente de temperatura se producirá entre las zonas más cercanas a este dispositivo, más calientes, y aquellas más alejadas, a menor temperatura.

El incremento de tensiones en el vidrio se produce debido a que las regiones a mayor temperatura tienden a expandirse, mientras que las regiones más frías conservan las dimensiones originales. Es por ello que se generará un campo de tensiones de tracción sobre las regiones más frías. Si la tensión supera el límite del vidrio se producirá la rotura del mismo. En general, el riesgo de rotura por temperaturas diferenciales es mucho mayor en vidrios recocidos, disminuyendo en vidrios termoendurecidos y templados.

La resistencia del vidrio frente a tensiones por gradientes de temperatura generalmente se verifica a través de un rango máximo de diferencial de temperaturas entre zonas del vidrio. Si la diferencia de temperatura calculada es menor que la máxima la lámina de vidrio será térmicamente segura. Existen diversos métodos de cálculo de estos rangos máximos. Como una aproximación, los máximos rangos admisibles según la clase de vidrio y la calidad de acabado de los cantos se situarán en el entorno de los siguientes valores:

 

Daño superficial

Generalmente, para elementos de vidrio no estructural, o aquellos en los que aun siendo estructurales tienes las superficies protegidas, el daño superficial se controla a través de un simple examen visual.

Aun así, muchos elementos de vidrio pueden verse expuestos a impactos accidentales, vandalismo, partículas pesadas arrastradas por el viento u otros factores capaces de generar desperfectos o daños superficiales significativamente más profundos que aquellos causados naturalmente durante la producción del vidrio.

En el momento de producirse el daño, el vidrio se verá sometido a una carga de tensión elástica. Si esta tensión excede los límites de resistencia del vidrio se abrirá una grieta y se producirá un fallo instantáneo del vidrio. Predecir la propagación de la fisura o el patrón de rotura en vidrios es un problema complejo que implica mecanismos de fractura dinámicos; esta problemática será detallada en futuros posts. Si la intensidad de esas tensiones instantáneas no supera la resistencia del vidrio, se producirá un daño local en la superficie del mismo. Estos defectos reducirán la resistencia del elemento de vidrio de manera significativa.

Pese a todo, debido a la actual carencia de información sobre cómo trasladar el análisis cualitativo del potencial de daño en el vidrio a valores o parámetros de diseño cuantitativos hace que esta tarea requiera de ensayos específicos y una cantidad considerable de análisis y juicio por parte de los ingenieros.

 

En el siguiente post veremos las particularidades del cálculo estructural por medio de algunos ejemplos didácticos.