Vidrio estructural - Uniones
Una vez vista la mecánica de fractura del vidrio en el anterior post, pasamos a ver como se realizan las uniones en los elementos de vidrio. Es un tema de especial relevancia ya que, al igual que en el resto de estructuras, es el lugar más habitual de fallo cuando se produce algún defecto de diseño.
La forma tradicional de enfocar las uniones entre el vidrio y otros elementos es la de evitar cualquier contacto directo entre el vidrio y los materiales de mayor dureza. A día de hoy esto sigue siendo necesario, pero con los avances en los últimos años han aumentado sustancialmente las opciones a la hora de realizar uniones en elementos de vidrio.
En los últimos años se observa una tendencia a crear espacios con la mayor transparencia posible gracias a elementos de vidrio esto ha llevado al constante desarrollo de los mecanismos de unión. Los avances en esta materia permiten que cada vez los elementos de unión y fijación del vidrio sean de menor tamaño, y a la vez soporten mejor las cargas a las que se ven sometidos.
En todas los puntos en los que el vidrio puede entrar en contacto con materiales de mayor dureza, es necesario emplear algún material intermedio para evitar la rotura del vidrio. Estos materiales son elementos con normalmente menor rigidez que el vidrio, pero que tienen que tener la suficiente resistencia y durabilidad para la correcta transmisión de cargas entre el vidrio y el resto de elementos. Estos materiales normalmente son: plástico, resinas, neoprenos, morteros de inyección, aluminio o gomas.
Actualmente el uso de uniones pegadas es cada vez más habitual, y se están haciendo muchos avances en los compuestos químicos utilizados. El uso de este tipo de solución ofrece otras posibilidades que no serían posibles empleando solo uniones mecánicas. El fundamental problema de este tipo de soluciones suele ser la durabilidad, y que en muchos casos se precisa de una fijación mecánica además del pegado para garantizar una correcta seguridad.
Uniones mecánicas
Vidrio apoyado linealmente
El uso de vidrios apoyados linealmente es usado de manera muy habitual cuando el vidrio se soporta con perfiles, como es el caso de los muros cortina, donde puede estar soportado en 2 o en 4 lados. El uso típico de este tipo de apoyos en el vidrio es para soportar cargas perpendiculares al plano del vidrio. Por ejemplo, en sistemas habituales de muro cortina el vidrio transmite las cargas de peso propio a los perfiles horizontales (travesaños) por medio de apoyavidrios de plástico, o láminas de neopreno. En cambio, frente a las cargas horizontales como el viento, el vidrio se fija linealmente a los perfiles por medio de presores (Perfiles metálicos que aprietan el vidrio contra montantes y travesaños). Entre presores y perfilería metálica, y el vidrio, se disponen gomas para evitar el contacto entre los elementos metálicos y el vidrio.
En los sistemas apoyados linealmente sobre perfilería es necesario que la separación entre los perfiles sea mayor que el tamaño del paño de vidrio, de modo que se admitan las tolerancias del proceso de fabricación del vidrio así como las derivadas del montaje de la perfilería.
A efectos de cálculo, los vidrios se pueden considerar como articulados debido a estas tolerancias y a que las gomas permiten el giro del vidrio.
Una alternativa a la sujeción del vidrio a la perfilería por medio de presores es el uso de un pegado estructural, esto se verá con detalle en el punto de uniones pegadas aunque también se trataría de un apoyo lineal.
Un uso mucho menos común de los apoyos lineales es el de transmitir cargas en el propio plano del vidrio, este tipo de soluciones requiere de cálculos más complejos (Al entrar en juego fenómenos de inestabilidad) y de detalles más cuidados debido a las concentraciones de tensiones en los bordes del vidrio, pero es otro posible uso de este tipo de fijaciones.
Fijaciones por grapas
Las fijaciones con grapas se desarrollaron para conseguir minimizar el impacto visual de los apoyos lineales continuos, pero su forma de actuar es similar. La fijación del vidrio en este caso se realiza por medio de elementos puntuales, normalmente de aluminio, que presionan el vidrio contra la estructura de soporte. La estructura de soporte podría ser incluso otro elemento de vidrio, como es el caso de las costillas de vidrio.
Hay dos tipos de fijaciones con grapas, sin fricción y con fricción. Las grapas sin fricción actúan perpendicularmente al vidrio, es decir transmiten a la subestructura las cargas perpendiculares, pero no serían capaces de transmitir las cargas paralelas al plano del vidrio.
En el caso de fijaciones con elevada fricción el funcionamiento es distinto, ya que están pensadas para transmitir, además de las cargas perpendiculares, las cargas contenidas en el plano del vidrio. El ejemplo típico es el de 2 chapas de metal unidas por tornillos, ejerciendo presión sobre 2 vidrios a modo de "sandwich", de esta forma se conseguiría dar continuidad a dos elementos de vidrio independientes.
Es importante en este tipo de uniones, con vidrio laminar, tener especial cuidado con las láminas de PVB del vidrio, ya que es un material que experimenta una elevada fluencia y reduce la presión que ejercen las chapas a lo largo del tiempo. En el entorno de las fijaciones en estos casos se suele remplazar el PVB por materiales rígidos no viscosos, como el aluminio.
A la hora de realizar un modelo de cálculo en elementos de vidrio con este tipo de fijaciones es muy importante la geometría de la fijación, ya que en este caso no se trata de un apoyo que permita el giro del vidrio. Es importante tener en cuenta que debido a la restricción que genera la propia grapa, se podrían producir concentraciones de tensiones que deben ser tenidas en cuenta a la hora de verificar la resistencia del vidrio.
Fijaciones atornilladas
El uso de uniones atornilladas no es la forma más eficiente de transmitir cargas a un elemento frágil como el vidrio, pero debido a condicionantes estéticos es una solución ampliamente utilizada. Existen diversos tipos de uniones atornilladas, o por medio de taladros en el vidrio, pero hay ciertas recomendaciones y características que son comunes a todas ellas. Posteriormente comentaremos las particularidades de algunas de las más habituales.
El principal problema de este tipo de uniones es la concentración de tensiones en el entorno de los taladros. A diferencia de lo que ocurre con materiales dúctiles como el acero, en los que las concentraciones de tensiones se redistribuyen por medio de la dislocación de las moléculas del acero, en el vidrio las tensiones no se redistribuyen. Esto se debe a que el vidrio es un material frágil, y por tanto no es posible suponer un reparto uniforme de carga entre todas las fijaciones.
Es por eso que el verdadero reto en el diseño de este tipo de detalles es evitar las concentraciones de tensiones y los contactos entre el vidrio y los elementos metálicos.
El contacto entre vidrio y elementos metálicos se evita disponiendo entre ambos materiales con las propiedades adecuadas, es decir, lo suficientemente rígidos y resistentes para transmitir las cargas, pero no tanto como para provocar concentraciones de tensiones muy elevadas en el vidrio. También es importante que presenten buen comportamiento frente a fenómenos de fluencia, fatiga o rayos ultravioleta. Algunos de los materiales empleados habitualmente para evitar el contacto en este tipo de uniones son: EPDM, POM o Poliamidas.
Es importante destacar que estos materiales ayudan a distribuir las tensiones de compresión en los taladros debidas al contacto, pero no mitigan prácticamente nada las tensiones de tracción provocadas por la elongación del taladro.
- Uniones atornilladas
Estas uniones se ejecutan taladrando los elementos de vidrio y haciendo pasar un tornillo por ellos, de modo que se puedan transferir los esfuerzos entre elementos de vidrio independientes.
Fue la primera fijación atornillada utilizada, su uso deriva directamente de la industria del metal y la madera. Es un sistema de fijación en el que las cargas actuantes en el plano del vidrio se transfieren como efecto cortante por medio del tornillo pasante, de esta forma es posible dar continuidad a elementos de vidrio diferentes. Esto es algo habitual, ya que existe una limitación de tamaño de las piezas de vidrio debido al proceso de fabricación.
- Uniones puntuales
Las uniones puntuales son esencialmente uniones atornilladas utilizadas en uniones vidrio-vidrio o vidrio subestructura que no necesitan de un solape de los elementos. Al contrario que ocurría con las uniones atornilladas, en las que era necesario que los elementos de vidrio solaparan entre sí para que el tornillo transmitiera los esfuerzos entre ellos.
El uso de este tipo de sistemas de fijación no se suele utilizar para transmitir grandes cargas en el plano del vidrio, salvo las debidas al peso propio de los elementos, ya que para ese tipo de cargas las uniones atornilladas funcionan mejor. Se utilizan por tanto para dotar a los elementos de vidrio de soporte frente a cargas perpendiculares.
Los sistemas de uniones empleados originalmente eran rígidos, lo cual tenía el mismo efecto que las grapas, provocar concentraciones de tensiones por la rigidez rotacional. Los sistemas más modernos permiten el uso de elementos articulados cuando es necesario, mejorando mucho el comportamiento y permitiendo el uso de elementos de vidrio de menor espesor.
Uniones pegadas
Conceptos generales
La progresiva tendencia a reducir el impacto visual en el diseño de estructuras ha potenciado en los últimos años la investigación y el estudio de nuevas soluciones en lo relativo a uniones pegadas. Este tipo de uniones favorecen la eliminación de piezas mecánicas en las uniones, aligerando las mismas e incrementando la transparencia global de las estructuras de vidrio.
La mayoría de ingenieros no se encuentra familiarizado con el uso de adhesivos como material de construcción, mas aún los ingenieros civiles, pero en el mundo de las estructuras de vidrio son una tecnología ampliamente utilizada. En comparación con las uniones mecánicas, las uniones pegadas nos permiten reducir las concentraciones de tensiones gracias a la flexibilidad de los materiales con los que se ejecutan, lo cual se convertirá en una propiedad muy beneficiosa debido al ya comentado comportamiento frágil del vidrio. A pesar de que hoy en día se sigue necesitando más investigación en este campo, poseemos una amplia experiencia en aplicaciones concretas tanto en edificación como en ingeniería civil.
La unión entre los elementos que conforman una unión pegada se produce gracias a las reacciones químicas que tienen lugar entre los adhesivos y las superficies de contacto de los distintos elementos (vidrio, acero, aluminio, etc.). Por tanto, la formación de enlaces atómicos fuertes entre el adhesivo y la superficie del vidrio otorgarán uniones pegadas de mayor capacidad de carga. La superficie del vidrio está formada por átomos de sílice saturados con grupos OH y algunos iones metálicos (por ejemplo Na) y será deseable por tanto establecer uniones fuertes Si-O-Si entre la superficie del vidrio y los adhesivos. Este tipo de uniones se consiguen aplicando una imprimación silanizada a la superficie de pegado y un adhesivo químicamente compatible con la estructura molecular del vidrio. La imprimación posee una doble función como reactivo tanto para la superficie del vidrio como para el adhesivo.
- Principales tipos de adhesivos
Las macromoléculas de los compuestos adhesivos estarán compuestas por cadenas recurrentes de monómeros simples. Lo átomos que componen la molécula se encuentras químicamente enlazados mientras que cada molécula puede encontrarse unida física o químicamente a otras, formando un polímero. Teniendo en cuenta sus propiedades termo-mecánicas, que vendrán definidas por su estructura molecular, podremos clasificar los principales adhesivos en tres tipos.
· Termoplásticos
Las moléculas de los termoplásticos poseen entre ellas uniones débiles generando un material muy sensible frente a variaciones térmicas. De esta manera, los termoplásticos se reblandecerán al calentarse, recuperando sus propiedades cuando el material se enfría. Este proceso puede ser repetido cíclicamente ablandando y endureciendo el material alternativamente.
· Elastómeros
Los elastómeros son polímeros gomosos cuyas macromoléculas se encuentran entrelazadas con una baja densidad de enlaces. Esta composición permite a los elastómeros estirarse hasta varias veces su longitud inicial al someterse a tensiones, recuperando su forma original al desaparecer estas.
· Termoendurecibles o termoestables
Los adhesivos termoendurecibles se solidifican de manera permanente al calentarse a través de un proceso químico irreversible. Este tipo de compuestos está formado por redes tridimensionales de polímeros con una alta densidad de enlaces entre ellos. Esto convierte a los adhesivos termoendurecibles en compuestos con una alta rigidez causada por la escasa libertad de movimientos de sus moléculas.
- Comportamiento mecánico
Cuando se ven sometidas a fuerzas externas las uniones pegadas presentan tres tipos distintos de deformaciones superpuestas, dependiendo el ratio de participación de cada una de la estructura molecular del material adhesivo. Para polímeros con baja cantidad de enlaces entre moléculas los dos últimos modos serán mucho más representativos que el primero.
· Deformación elástica espontánea debido a los cambios en los ángulos de valencia de las uniones químicas entre átomos. Esta es una deformación inmediata y reversible.
· Deformación viscoelástica debido al estiramiento de cadenas moleculares. Se trata de una deformación dependiente del tiempo y reversible.
· Deformación viscoplástica debido a movimientos de las cadenas moleculares. Se trata de una deformación dependiente del tiempo e irreversible.
Ante esfuerzos a cortante, el comportamiento de las uniones pegadas variará con el tiempo. Para cargas de corta duración los materiales adhesivos se comportarán de la misma manera que los materiales de construcción clásicos, donde la deformación a cortante será proporcional a la carga impuesta y a su módulo de deformación a cortante. Para cargas de larga duración los materiales adhesivos sufrirán fenómenos de fluencia provocados en primer lugar por el estiramiento de las cadenas moleculares (fluencia primaria), a posteriori por deslizamiento de esas cadenas moleculares, existiendo un equilibrio entre el número de enlaces moleculares perdidos y creados (fluencia secundaria) y por último produciéndose la rotura de la unión cuando las uniones moleculares perdidas superan a las creadas (fluencia terciaria).
Las uniones pegadas puede clasificarse atendiendo a su comportamiento mecánico en uniones flexibles y uniones rígidas. Las uniones flexibles son habitualmente ejecutadas con silicona uniendo los distintos elementos y es por ello que su flexibilidad permitirá ciertos movimientos relativos entre estos elementos. Por el contrario, las uniones rígidas en las que se emplean comúnmente adhesivos acrílicos o epoxi o bien resinas de poliéster, unen fuertemente las distintas partes de la conexión, siendo más restrictivos con los movimientos relativos entre las mismas y favoreciendo de esta manera la aparición de puntos de concentración de tensiones.
Uniones con adhesivos flexibles
El material más utilizado en uniones flexibles entre elementos de vidrio y metálicos para reemplazar los elementos mecánicos es la silicona. Existen principalmente dos tipos de silicona estructural:
- Siliconas monocomponente
Las siliconas monocomponente curan gracias a la interacción con la humedad en el aire, por lo que su curado comenzará tan pronto como estas entren en contacto con el ambiente. Para garantizar un curado correcto será necesario asegurar una humedad mínima del 50% y ciertos condicionantes geométricos han de ser respetados. El espesor de los cordones de silicona no será inferior a los 6 mm y su ancho no superará los 20 mm; de este modo aseguramos la difusión de la humedad ambiental y por tanto el curado de la silicona en todo el volumen del cordón. El proceso de curado puede durar hasta 3 semanas y, si bien el espesor o el ancho del cordón son excesivos puede que el curado nunca llegue a producirse en algunas zonas del cordón.
- Siliconas bicomponente
El curado de las siliconas bicomponente se produce mediante la reacción de polimerización de sus componentes accionada por la mezcla de dos componentes diferentes. El primero de ellos es un compuesto base (90% del volumen total de la mezcla) y el segundo un catalizador (10% del volumen total de la mezcla). No se requieren componentes químicos externos para que la polimerización tenga lugar. Las siliconas bicomponente poseen tiempos de curado relativamente rápidos (en torno a 3 días) y no limitados por la geometría del cordón, en contraposición a las siliconas monocomponente. Pese a esto, su geometría debe de respetar ciertos límites, en este caso por limitaciones mecánicas. Los cordones de silicona bicomponente no deberán por tanto situarse por debajo de los 6 mm de espesor ni exceder los 50 mm de ancho. El correcto mezclado de los componentes de estas siliconas será crucial para que desarrollen unas propiedades mecáncias óptimas al curar, y es por ello que el proceso de aplicación debe de ser estrictamente controlado dificultando por tanto su aplicación en obra (siendo muy poco común).
Las uniones de silicona estructural se diseñan generalmente en términos de tensiones admisibles. Para ello se tiene en consideración la resistencia última del material (otorgada por cada fabricante) y una serie de coeficientes de seguridad de 6 para cargas a corto plazo y de 60 para cargas a largo plazo. La deformación admisible bajo esfuerzos cortantes generados por dilatación térmica diferencial de los componentes de la unión se situará en un 12,5% de las deformaciones últimas. A este nivel relativamente bajo de deformaciones es posible asumir comportamiento elástico del material adhesivo.
La silicona posee un módulo de elasticidad bajo, lo que permite reducir las concentraciones de tensión características de las uniones rígidas. Esta propiedad también permite a la silicona absorber una gran cantidad de energía, por lo que poseerá muy buen comportamiento como acristalamiento de seguridad cuando se combina con vidrio laminado de seguridad. Por el contrario, debido a este bajo módulo de elasticidad, la silicona estructural no será capaz de transmitir esfuerzos de cortante elevados, por lo que no será una buena opción a la hora de diseñar secciones conformadas de vidrio. Debido a esta carencia de capacidad de transmisión de esfuerzo cortante se deberá evitar diseñar nudos en los que la silicona estructural se encuentre pegada a 3 o más caras.
Será de una importancia crucial así mismo al diseñar uniones con silicona el comprobar la compatibilidad química entre esta y el resto de componentes de la unión. Dependiendo de los distintos componentes en contacto pueden tener lugar reacciones químicas o migraciones de componentes que modifiquen las propiedades del adhesivo pudiendo llegar a provocar daños en la unión. Generalmente los proveedores de silicona poseen ensayos de compatibilidad entre la silicona y los componentes más habituales que podrían llegar a entrar en contacto con la misma (EPDM, neopreno, PVB, etc.).
Al comprobar la resistencia de las uniones el resultado óptimo se logra cuando el fallo de la misma se produce por la pérdida de cohesión (rotura) del propio cordón de silicona, en lugar de producirse un fallo por adhesión (arrancamiento) del mismo. Es de vital importancia asimismo comprobar con el proveedor la compatibilidad adhesiva de la silicona con las distintas superficies a unir.
En Europa, la aplicación de silicona estructural en vidrio (SSGS por sus siglas en inglés) se encuentra regulada. Una aprobación técnica europea (ETA) será necesaria para toda silicona empleada en aplicaciones estructurales. El método de diseño recogido en la EOTA 1998 se limita al uso en vidrios apoyados a 4 lados con unión SSGS en la totalidad del perímetro. La EOTA requerirá a mayores que todas las uniones SSGS se ejecuten en fábrica con el objetivo de controlar al máximo el ambiente en el que se produce la ejecución y curado de la unión. Sin embargo, en múltiples ocasiones es necesario ejecutar ciertas uniones SSGS en obra, por lo que deberán tomarse medidas especiales y controles de calidad adicionales para garantizar su correcta ejecución. A pesar de esto, es necesario reseñar que es imposible ensayar la calidad estructural de las uniones SSGS de manera no destructiva.
Uniones con adhesivos rígidos
Como ya hemos comentado, el diseño en vidrio estructural tiende cada día más a elementos ligeros y lo más transparentes posibles. Las uniones pegadas favorecen estas tendencias, permitiendo eliminar componentes mecánicos en las uniones. Tradicionalmente, la silicona es el material más empleado en uniones pegadas, pero debido a su falta de resistencia y rigidez no es el material óptimo para según que aplicaciones. Es por ello que en los últimos años se ha incrementado la investigación sobre nuevos materiales que permitan ejecutar uniones rígidas de mayor resistencia. Las resinas epoxis y acrílicas se han empleado durante años en otras industrias como la aeronáutica y son opciones muy prometedoras, pero su transferencia al terreno de la edificación y la obra civil todavía se encuentra en desarrollo ya que conlleva una serie de complicados retos para adaptar dicha tecnología a las necesidades particulares de estas aplicaciones.
Uno de los retos viene causado por las pérdidas de planeidad durante el proceso de fabricación del vidrio, sobre todo en vidrios tratados térmicamente. La mayoría de adhesivos rígidos trabajan como adhesivos de contacto, lo que implica que para desarrollar de manera óptima sus propiedades adherentes es necesario que se extiendan en superficies de poco espesor (por debajo de 1 mm) y por lo tanto, si las tolerancias de fabricación se encuentran por encima de estas dimensiones, el adhesivo no funcionará correctamente. Para estas aplicaciones, los adhesivos de relleno (como los epoxi) presentan un mejor comportamiento.
La resistencia a la radiación UV es otro de los desafíos a afrontar. Para estas aplicaciones, los acrílicos con curado UV son la opción más prometedora, ya que una vez completado el proceso de curado son transparentes y resistentes a la radiación UV.
Analizando su comportamiento térmico, lo adhesivos rígidos más comunes tienden a la pérdida progresiva de rigidez, resistencia y capacidad adherente provocada por movimientos en su estructura macromolecular si son calentados por encima de su temperatura de transición vítrea. Los epoxis muestran el mejor comportamiento en relación a este parámetro al poseer temperaturas de transición vítrea más elevadas que los acrílicos.
Otro aspecto a tener en cuenta es la falta de información sobre la durabilidad en este tipo de uniones. Sabemos a través de la experiencia en otros ámbitos como las uniones de elementos metálicos que los adhesivos rígidos sufren modificaciones al exponerse al ambiente exterior, causados en gran medida por el agua. Todavía no existe información suficiente para analizar el comportamiento de las uniones rígidas frente a envejecimiento en estructuras de vidrio.
La última consideración a tener en cuenta se centra en el hecho de que, debido a su especial rigidez, la geometría de las uniones con adhesivos rígidos deberá ser diseñada con especial atención. Dada su limitada capacidad para redistribuir las concentraciones de tensión o para absorber deformaciones, las esquinas pronunciadas o las singularidades geométricas en las superficies de pegado deberán de evitarse, generalmente esto se consigue redondeando los bordes de las superficies a unir.
Tecnologías en desarrollo
Debido a que el uso del vidrio para sistemas tan complejos como los explicados anteriormente, es relativamente nuevo y a que todavía no se han explotado todas las posibilidades de este material, es normal recurrir a sistemas que funcionan en industrias como la del metal o la madera y adaptarlos al vidrio. Esta forma de afrontar el desarrollo de nuevas tecnologías partiendo de las ya conocidas ha sido la habitual a lo largo de la historia. Igual que ocurrió con el primer puente de acero (Ironbridge, cruzando el río Severn), que en su construcción se imitaban las formas empleadas en los puentes de fábrica.
Pese a esto, a medida que el uso de un material se vuelve más popular, es necesario desarrollar avances que mejoren las posibilidades que nos ofrece. Este desarrollo en los sistemas de unión se traduce en mejoras de: resistencia, redundancia en la seguridad, menor impacto visual, mayor facilidad de montaje etc.
A continuación hablamos de algunos de los desarrollos actuales, pero paralelamente se está trabajando en muchos otros métodos para la mejora en las uniones con elementos de vidrio.
Incrementar la capacidad post-rotura por medio de mallas embebidas
El uso de mallas embebidas en el PVB se puede utilizar para favorecer el comportamiento del vidrio post-rotura. La idea detrás de este sistema es la de que estas mallas embebidas en el vidrio se fijan a la estructura portante, de modo que ante una posible rotura del vidrio se evitaría la caída de la pieza al quedar soportada por este sistema. Este aumento de seguridad en los vidrios laminares es especialmente útil cuando se trata de vidrios pisables, o situados encima de zonas transitables.
Anclajes embebidos en vidrio laminar
Con el desarrollo de nuevas láminas de pegado (interlayers) como el SentryGlass de DuPont, una lámina de mucha mayor rigidez y resistencia que el PVB, las posibilidades en cuanto a soluciones constructivas en el vidrio han aumentado drásticamente.
Gracias a este tipo de "interlayer" es posible dejar elementos de anclaje fijados a la propia lámina cuando se realiza el ensamblado del vidrio. Esto permite la realización de detalles que serían imposibles con fijaciones atornilladas al uso, además de facilitar mucho el proceso de montaje al tratarse de un método que se asimila mucho a la prefabricación.
Debido a la excelente resistencia que aportan sistemas como el SentryGlass se pueden realizar estructuras como la siguiente, donde las uniones son apenas visibles y están totalmente integradas con el resto de elementos de vidrio.
Esperamos que hayáis podido aprender algo nuevo sobre el mundo del vidrio estructural, disciplina todavía en desarrollo en muchas de sus facetas pero con potenciales aplicaciones muy interesantes!