03.2020

Vidrio estructural - Conceptos generales sobre el material

 

En este primer post de la serie sobre vidrio estructural hablaremos un poco del proceso de fabricación de este material, así como de los principales tratamientos y procesos a los que se somete antes de llegar al usuario final.

En primer lugar habría que definir el concepto de vidrio estructural, que no es más que un vidrio al que independientemente de su origen se le somete a un estado tensional. Es por ello que en cierto modo todos los vidrios con aplicaciones arquitectónicas se pueden definir como estructurales, puesto que soportan cargas ya sea de viento, térmicas o todas aquellas que puedan aparecer durante el transcurso de su vida útil.

Históricamente el uso del vidrio en la construcción estaba únicamente enfocado a la edificación, más concretamente a la fabricación de pequeñas ventanas que permitieran ailsar las estancias del exterior, permitiendo el paso de luz solar. Durante muchos años estos vidrios se han calculado mediante reglas "básicas" de predimensionamiento basadas en la experiencia. Con el paso del tiempo y la utilización de vidrios cada vez mayores, geometrías más complejas y la aplicación de requisitos cada vez más exigentes a los elementos de vidrio han provocado que a día de hoy el diseño y cálculo de estos elementos sea una disciplina en si misma.

Para comenzar a caracterizar el material comentaremos los procesos de producción y las principales propiedades tanto físicas como químicas del vidrio, así como los principales tratamientos y procesos a los puede ser sometido a día de hoy.

Producción y Propiedades

Son varios los posibles procesos de fabricación del vidrio y los pasos principales son similares para todos ellos. Comenzando con un proceso de fusión de los materiales entre 1600 y 1800ºC, para pasar posteriormente al conformado entre 800 y 1600ºC y finalmente el enfriado entre 100 y 800ºC.

De todos los procesos de fabricación posible, el de vidrio flotado o "float glass" es el más utilizado actualmente para la fabricación de vidrio plano (En torno al 90% de vidrio plano fabricado en el mundo se obtiene mediante este proceso). Este es el método empleado fundamentalmente para la producción del vidrio destinado a fachadas, acristalamientos interiores o a la industria del automóvil.

A modo muy esquemático se puede pensar en el proceso de vidrio flotado del siguiente modo:

1. Se procede a la fusión de los elementos que conforman el vidrio en un horno

2. El vidrio fundido se vierte sobre una piscina de estaño líquido

3. Debido a las diferentes densidades el vidrio fundido flota sobre el estaño formando una capa de espesor uniforme

4. El vidrio se saca progresivamente de la piscina de estaño hacia la zona de procesado donde, por medio de una serie de rodillos se controla su espesor, finalizando con la realización del proceso de recocido

 

Os dejamos aquí un video de Pilkington ilustrando la obtencion de vidrio flotado. Pilkington es uno de los principales fabricantes de vidrio del mundo y primera empresa en utilizar este método para la obtención de vidrio de manera comercial.

En cuanto a su composición, el vidrio SLSG (Soda lime silicate glass) es el más utilizado para la industria de la construcción. Vidrio común compuesto fundamentalmente por sílice, arena y sosa. Para algunas aplicaciones especiales como vidrios con resistencia a altas temperaturas o protección frente al fuego, se utilizan vidrios con una composición diferente, como el BSG (Borosilicate glass).

Al contrario que en la mayoría de compuestos sólidos, los electrones en el vidrio se encuentran confinados en niveles de energía fijos, esto impide que las moléculas puedan alternar entre diferentes niveles ernergéticos absorbiendo o disipando radiación, con lo que se consigue que la energía pase a través del vidrio sin oposición. En la práctica, la transferencia de energía no es perfecta debido a la presencia de imperfecciones en la composición del vidrio, lo que provoca la absorción de cierta cantidad de radiación. Estas imperfecciones, causadas por inclusiones de pequeñas cantidades de óxidos de hierro com el Fe2+, son las que provocan el característico color verdoso en los vidrios SLSG. Los vidrios extra-claros, también conocidos como "low iron", se denominan así precisamente por eliminar esa coloración por medio de la reducción de óxidos de hierro presentes en la composición.

Una de las principales propiedades del vidrio es su excelente resistencia a los ataques de sustancias agresivas. Este es uno de los motivos que ha provocado la amplia difusión del vidrio en la industria química, así como el hecho de ser uno de los materiales más duraderos de los empleados en la industria de la construcción

De cara a su comportamiento estructural destacamos las siguientes propiedades físicas:

Densidad: 2500 kg/m3

Módulo de elasticidad: 70000 MPa

El vidrio posee propiedades de densidad y rigidez muy similares a las del aluminio, material muy empleado en construcción sobre todo para estructura secundaria.

En cuanto a la resistencia del vidrio, al tratarse de un material con un mecanismo de rotura frágil, estará enormemente ligada a la presencia de fisuras en el elemento. Esto provoca que pese a que teóricamente su resistencia a tracción podría alcanzar valores de 32 GPa, este valor no sea ni mucho menos relevante para sus aplicaciones estructurales, dado que la rotura se producirá de manera mucho más precoz. A modo de ejemplo, en el actual borrador del Eurocódigo de vidrio en edificación, para su cálculo a flexión se está utilizando un valor característico de 45 MPa en vidrio recocido.

Tratamientos

Una vez obtenido el vidrio a partir de las materias primas, es habitual que se realicen más tratamientos para conseguir la forma, prestaciones y apariencia deseados. Recogemos a continuación los que más afectan al comportamiento estructural del vidrio, si bien son muchos más los que se pueden realizar hasta que el producto llegue al consumidor final.

En este post hablaremos sobre el tratamiento térmico del vidrio, los principales tipos de tratamiento y como afecta cada uno de ellos al producto final.

El proceso de templado es el tratamiento más importante para aplicaciones estructurales, ya que es el que más afecta a la resistencia del vidrio. El templado busca optimizar el campo de tensiones residuales internas del vidrio, generadas por el enfriamiento diferencial de sus partes durante el proceso de fabricación, de modo que compensen las tensiones a las que se verá sometido en su vida útil. Se consigue que las caras externas del vidrio estén en compresión, y las zonas cercanas al plano medio del vidrio en tracción. Esta distribución de tensiones no solo compensa las tracciones en las caras externas al someter el vidrio a flexión, también mantiene en compresión las zonas del vidrio con fisuras (provocadas en las caras externas durante el proceso de fabricación) mejorando significativamente su comportamiento estructural.

Fundamentalmente hay dos tipos de templado, vidrio completamente templado "tempered glass" y vidrio termoendurecido "heat strengthened glass", diferenciandose el proceso de ambos tratamientos en la velocidad de enfriado. Pese a elaborarse de manera muy similar ambos tipos de tratamiento, su comportamiento es sustancialmente distinto.

Vidrio templado (Tempered glass)

El proceso consiste en el calentamiento del vidrio hasta una temperatura de 620 a 675ºC, ligeramente por encima de la temperatura de transición del vidrio, y un posterior enfriado rápido por medio de aire frio.

Las tensiones residuales de compresión que se alcanzan con este procedimiento varían entre 80 MPa y 170 MPa para el SLSG.

Puesto que este tratamiento es el que consigue maximizar la resistencia, también aumenta en igual medida la energía interna que absorbe el vidrio antes de la rotura. Esta elevada cantidad de energía absorbida provoca el característico patrón de rotura del vidrio templado en pequeños fragmentos, ya que es necesaria un elevada cantidad de fisuras para liberar toda la energía acumulada.

 

Una de las problemáticas del vidrio templado es la posibilidad de rotura espontánea. Este es un fenómeno conocido, provocado por la inclusión de impurezas de sulfuro de níquel durante la fabricación. Estas inclusiones cuando se calientan (a temperaturas no necesariamente muy elevadas) se excitan vibrando y provocando tensiones puntuales en el vidrio que pueden provocar la rotura. Una de las formas de lidiar con esto es realizar, antes de su puesta en obra, el proceso conocido como HST (Heat Soak Test). Este procedimiento reduce el número de roturas espontáneas de los vidrios colocados, forzando la rotura de los vidrios más sensibles a este fenómeno durante el test.

Vidrio termoendurecido (Heat strengthened glass)

El proceso es muy similar al templado, pero se realiza un enfriamiento más lento. Esto provoca que las tensiones residuales sean también menores.

Para un vidrio SLSG termoendurecido, las tensiones residuales de compresión varían entre 40 y 80 MPa.

La necesidad de un proceso de enfriamiento controlado hace que, por regla general, no se pueda termoendurecer vidrio por encima de 12 mm de espesor.

La rotura, al contrario que con el vidrio templado, se produce en fragmentos de mayor tamaño. Este tipo de rotura (como comentaremos en próximas publicaciones) hace que el vidrio termoendurecido sea especialmente seguro para muchas aplicaciones.

 

Os esperamos en el próximo post, en el que hablaremos del proceso de diseño de elementos de vidrio estructural y sus particularidades.