2012-2 los nuevos materiales textiles estructurales

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 1 LOS NUEV OS MATERIALES TEXTILES ESTRUCTURALES. FELIX ESCRIG.  Catedrático de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla. [email protected]  Avda. Reina Mercedes 2 41012 Sevilla JOSÉ SÁNCHEZ. Profesor Titular de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla.  josess@u s.es Avda. Reina Mercedes 2 41012 Sevilla Enviado: Diciembre 2009. RESUMEN. Los nuevos materiales textiles de altas prestaciones se han afianzado como alternativa constructiva y ocupan todos los campos de la construcción ligera y como complemento de la construcción en general. Existe una amplia bibliografía sobre algunos materiales de uso más frecuente y muy poca de los que en este momento se utilizan en los diseños más avanzados. Se pretende hacer un repaso general en el contexto de nuevas aplicaciones. Palabras clave: Textiles estructurales, Textiles compuestos, Estructuras tensadas, Materiales sintéticos, Estructuras Ligeras.  AB STRACT. New textile fabric materials for high performances have been imposed as a constructive alternative in light and conventional construction techniques. There is a wide bibliography about the subject for most usual materials and not so much for more advanced uses in recent designs. We intend to make a general survey including the new proposals. Key words: Textile fabric, Coated Textile, Tensile structures, Synthetic materials, Light structures. 1. INTRODUCCIÓN Vamos a evitar detenernos en materiales de uso tradicional que, en su campo de aplicación, tienen un buen comportamiento y han sido extensamente utilizados, como por ejemplo las fibras vegetales y animales, entre las que destacan el lino, el algodón, el cáñamo, la lana y la seda. Con ellos se han utilizado enormes velas para uso marítimo y grandes estructuras como los dirigibles y los globos. En la actualidad los de más frecuente uso están formados por fibras de poliéster o de vidrio dispuestos en hilos que se trenzan en forma de tejido. En la bibliografía sobre textiles estructurales al hilo se le denomina yarn y consiste en fibras unidas con un ligero trenzado. Las propiedades mecánicas pueden alterarse trenzando fuertemente dos o tres hilos. El tejido más habitual es el Panamá, en que sobre una trama ( warp) de hilos paralelos se cruza una urdimbre ( fill ) que, alternadamente pasa por encima y por debajo de los hilos de la trama. Con frecuencia se usan dos, tres o cuatro hilos de urdimbre para cada paso de trama, lo que da al tejido más consistencia y más planeidad al acabado de recubrimiento del tejido. Esto significa que la trama queda recta y la urdimbre ondulada, lo que significa que cuando tensamos transversalmente el tejido esta ondulación tiende a estirarse y a producir una deformación residual. Determinadas marcas comerciales garantizan que en el proceso de fabricación se ha estirado la trama, de modo que se minimiza este efecto. Otro tipo de tejido es el WIWK (Weft Inserted Warp Knit), en que la trama y la urdimbre están en planos independientes y conectados entre sí por el revestimiento. Es la forma de producción de los materiales americanos como alternativa a los anteriores, fundamentalmente europeos. En este caso el material es mucho más elástico y resiste lo mismo en ambas direcciones. (Fig. 12.2). Figura 1. Distintos tipos del entramado

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Los nuevos materiales han venido a revolucionar las estructuras en tracción

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LOS NUEVOS MATERIALES TEXTILES ESTRUCTURALES.FELIX ESCRIG.  Catedrático de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla.

[email protected] Avda. Reina Mercedes 2 41012 SevillaJOSÉ SÁNCHEZ. Profesor Titular de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla. [email protected] Avda. Reina Mercedes 2 41012 Sevilla

Enviado: Diciembre 2009.

RESUMEN. Los nuevos materiales textiles de altas prestaciones se han afianzado comoalternativa constructiva y ocupan todos los campos de la construcción ligera y como complementode la construcción en general. Existe una amplia bibliografía sobre algunos materiales de uso másfrecuente y muy poca de los que en este momento se utilizan en los diseños más avanzados. Sepretende hacer un repaso general en el contexto de nuevas aplicaciones.

Palabras clave: Textiles estructurales, Textiles compuestos, Estructuras tensadas,

Materiales sintéticos, Estructuras Ligeras.

ABSTRACT. New textile fabric materials for high performances have been imposed as aconstructive alternative in light and conventional construction techniques. There is a widebibliography about the subject for most usual materials and not so much for more advanced uses inrecent designs. We intend to make a general survey including the new proposals.

Key words: Textile fabric, Coated Textile, Tensile structures, Synthetic materials, Lightstructures.

1. INTRODUCCIÓN

Vamos a evitar detenernos en materiales de uso tradicional que, en su campo de aplicación,tienen un buen comportamiento y han sido extensamente utilizados, como por ejemplo las fibras

vegetales y animales, entre las que destacan el lino, el algodón, el cáñamo, la lana y la seda. Conellos se han utilizado enormes velas para uso marítimo y grandes estructuras como los dirigibles ylos globos.

En la actualidad los de más frecuente uso están formados por fibras de poliéster o de vidriodispuestos en hilos que se trenzan en forma de tejido. En la bibliografía sobre textiles estructuralesal hilo se le denomina yarn y consiste en fibras unidas con un ligero trenzado. Las propiedadesmecánicas pueden alterarse trenzando fuertemente dos o tres hilos. El tejido más habitual es elPanamá, en que sobre una trama (warp) de hilos paralelos se cruza una urdimbre (fill) que,alternadamente pasa por encima y por debajo de los hilos de la trama. Con frecuencia se usandos, tres o cuatro hilos de urdimbre para cada paso de trama, lo que da al tejido más consistenciay más planeidad al acabado de recubrimiento del tejido. Esto significa que la trama queda recta y laurdimbre ondulada, lo que significa que cuando tensamos transversalmente el tejido estaondulación tiende a estirarse y a producir una deformación residual. Determinadas marcas

comerciales garantizan que en el proceso defabricación se ha estirado la trama, de modo que seminimiza este efecto.

Otro tipo de tejido es el WIWK (Weft InsertedWarp Knit), en que la trama y la urdimbre están enplanos independientes y conectados entre sí por elrevestimiento. Es la forma de producción de losmateriales americanos como alternativa a losanteriores, fundamentalmente europeos. En estecaso el material es mucho más elástico y resiste lomismo en ambas direcciones. (Fig. 12.2).

Figura 1. Distintos tipos del entramado

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2 En todos los casos sobre este tejido se lamina una capa de material de revestimiento por

ambas caras que, en principio no va a tener propiedades estructurales, pero que cumple otrasimportantes funciones:

· Liga la trama y la urdimbre.· Permite una cierta capacidad de trabajo a esfuerzos tangenciales.· Protege de agentes externos las fibras estructurales.· Admite aditivos contra el envejecimiento· Admite aditivos protectores contra el fuego y la suciedad· Admite colorantes.· Admite pegamentos y soldaduras para unir unas piezas a otras.

La elección de unos u otros materiales depende de varias opciones:· Propiedades ambientales.· Propiedades funcionales.· Propiedades de conservación.

· Propiedades de montaje.· Propiedades estructurales.· Tecnologías disponibles.· Disponibilidades económicas.Vamos a hacer una revisión general en función de cada una de estas propiedades.

2. PROPIEDADES AMBIENTALES.

COLORACIÓN. Las fibras que forman la trama y la urdimbre normalmente son una malla decolores claros. El material protector de recubrimiento puede tener aspecto muy variable, desdeabsolutamente transparente a completamente opaco. Diversas pigmentaciones y mezclas, apartede cambiar el comportamiento de conjunto, pueden dar lugar a una gran variedad de colores.Todos los materiales basados en PVC presentan una gama completa de colores mientras que losde fibra de vidrio sólo en diversos blancos. Últimamente se ha avanzado mucho en la cartadisponible.

TRANSPARENCIA. Cualquier tejido puede presentarse con cierta capacidad de transmitir enforma difusa la luz captada desde el exterior y por tanto estos materiales tienen un buencomportamiento luminoso. Dependiendo del tipo de material esta transparencia variará entre el10% al 90%, aunque puede conseguirse completamente opaca.

AISLAMIENTO. El gran problema de estos materiales es su mal comportamiento térmico yacústico ya que, por su ligereza y escaso espesor, no tienen inercia térmica o acústica. Noobstante utilizando dos capas paralelas y colocando materiales interpuestos, puede mejorarse el

comportamiento. El comportamiento acústico es mucho más difícil de controlar puesto que elmaterial no presenta barreras al ruido externo e internamente es un reflector altamente eficaz. Suescasa rugosidad multiplica las reflexiones y solamente con elementos rompedores puedecontrolarse la difusión. Como pantallas acústicas funcionan muy bien y en tornavoces y escenariosson útiles y económicas.

3. PROPIEDADES FUNCIONALES.

Aunque están relacionadas con las anteriores no se refieren al aspecto sino a parámetros defuncionamiento y cumplimiento de normativa.

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3 RESISTENCIA A FUEGO. La Normativa vigente respecto a la protección contra incendios

exige materiales con RF en torno a 60 y 90. Muchos de estos materiales, y fundamentalmente losmás utilizados a base de PVC, no cumplen este requisito. Para poder edificar con ellos hay que

demostrar que la estructura sí cumple con esos requisitos. Si de lo que se trata es de procurar untiempo mínimo de evacuación esto puede conseguirse siempre que se cumplan ciertos requisitos:El material no debe gotear frente al fuego, no debe producir humos tóxicos al nivel de uso, no debedesplomarse sobre los usuarios. La Tabla 1 muestra algunas propiedades, entre las que se cuentala resistencia a fuego. En muchas ocasiones el fuego abre chimeneas por la que escapan loshumos tóxicos. En cualquier caso suele ser tediosa la justificación ante las autoridades delcumplimiento de la Norma de Protección contra incendios.

AHORRO ENERGÉTICO. Este aspecto es imposible de cumplir en espacios cerrados, por loque habitualmente las estructuras tensadas están abiertas y no tienen la obligación de cumplirrequisitos de ahorro energético. En el caso de infladas, en que el recinto necesariamente debe serestanco, pueden utilizarse materiales con capas de protección térmica, que existen en el mercado,ir a dobles capas o utilizar energías renovables. En cualquier caso no son soluciones óptimas más

que con carácter eventual, que es la justificación que se esgrime para su uso.

4. PROPIEDADES DE CONSERVACIÓN.

RESISTENCIA A LA INTERPERIE. Las características mecánicas de estos materiales varíanmucho con la temperatura, la humedad y sobre todo, con la degradación que produce la acción delos rayos ultravioletas. Por ello los ensayos de laboratorio que nos permiten conocer la velocidadde degradación son fundamentales para la elección del tejido.

RESISTENCIA DE LA CAPA PROTECTORA. Determina la capacidad del material derecubrimiento para conservar su protección a lo largo del tiempo.

PERMEABILIDAD DE LA SUPERFICIE. Si las membranas son absolutamenteimpermeables tendrán buena protección a efectos de absorción de humedades. Estas son

responsables de degradación química u orgánica. Pero en contrapartida dará lugar a molestascondensaciones debidas a la diferencia de temperatura y humedad entre el exterior y el interior.

ESTABILIDAD DIMENSIONAL. Algunos materiales sufren los efectos de la relajación ycambian sus dimensiones con carácter permanente bajo el efecto de las cargas o cambiostérmicos, lo que obliga a actuar sobre la geometría en distintas fases de su vida.

FACILIDAD PARA LA LIMPIEZA. Aparte de la pérdida de apariencia, la suciedad puede sercausante de deterioro físico-químico de la cubierta al reducir su transparencia y absorberdeterminadas radiaciones. Hay textiles estructurales que adhieren los depósitos mientras que otroslos repelen. En general, si no tienen un aditivo apropiado, el potencial eléctrico, de signo positivo,absorbe las partículas y resultan muy difíciles de eliminar incluso con agua a presión, debiendorecurrir a detergentes y frotado directo.

FACILIDAD PARA SER REPARADOS. Por medio de adhesivos, soldaduras o cosidos, todos

los textiles pueden ser parcheados. Pero mientras los sistemas basados en materiales sintéticosson relativamente sencillos, los basados en fibras minerales requieren sumo cuidado. En generales una buena práctica no hacer diseños que tengan que construirse en grandes paños, ya que, eneste caso la reparación o sustitución tiene gran envergadura. Cuando pueda trabajarse con pañospequeños es mejor sustituir el patrón completo antes que repararlo.

5. PROPIEDADES DE MONTAJE.

ESTABILIDAD DIMENSIONAL DEL TEJIDO BASE. Un material demasiado extensible ocambiante con las modificaciones ambientales será difícil de manipular y tratar con precisión.

SOLDABILIDAD DE LAS PIEZAS. Puesto que todas las estructuras han de ser construidasuniendo diversos patrones, es muy importante que sus uniones puedan ser tan resistentes como el

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4 material base, pues de lo contrario estaremos desperdiciando las propiedades de éste. Lasoldabilidad implica poder conectar las piezas por cosido, por pegado por aportación de algúnadhesivo o por adherencia con calor.

RESISTENCIA AL DOBLADO. Durante la etapa de montaje, los paños llegarán a la obraconfeccionados y doblados en paquetes. Es muy importante que este doblado no dañe el material.Tejidos muy densos y de gran espesor o de componentes frágiles quedan eliminados de estasaplicaciones. En nuestras experiencias de uso de textiles estructurales para cubiertas móviles, enque el doblado puede producir incluso fenómenos de fatiga esta propiedad es fundamental.

6. PROPIEDADES ESTRUCTURALES.

Tabla 1. Características de distintos materiales en poliéster y en fibra de vidrio.

Fig. 2- Montaje de una probeta en un ensayo de rotura unidireccional.

La Tabla 1 muestra algunas propiedades de variostipos de textiles y membranas. De ellos los más utilizadosson los de fibra de poliester revestido e PVC (Policlorurode vinilo) y la fibra de vidrio recubierta de ETFE(Copolímero de Etileno y Tetrafluoretileno), en donde larelación de resistencias entre urdimbre y trama pormuestra de 5 cm de ancho es la característicadeterminante para su uso estructural.

Los ensayos principales que se efectúan para medirla resistencia son:

ENSAYO UNIAXIAL A TRACCIÓN. La Fig 2muestra la disposición que se toma para realizar esteensayo. Se expresa normalmente en N/50 mm o Kp/5cm yrevela la resistencia longitudinal del tejido. El ensayo se

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5 realiza hasta rotura. Sin embargo es interesante realizar este ensayo sometido a cargas cíclicasllevando la tracción hasta un 25% de la carga de rotura. Con ello obtenemos la deformaciónpermanente a las cargas de trabajo. (Fig. 3). Este ensayo se lleva a cabo con bandas cortadas en

la dirección de la urdimbre y de la trama.

cFig. 3 Ensayo cíclico al 25% de la tensión de rotura).[Ref. xx]

ENSAYO BIAXIAL A TRACCIÓN. La tensión se aplica simultáneamente en las dosdirecciones. La Fig. 12.7 muestra la pieza que debe ser ensayada según las normas habituales y la

Fig. 12.8 la máquina que proporciona las tracciones simultáneamente.

Figura 4. Probeta para ensayo biaxial. Figura 5. Dispositivos para el ensayo biaxial.

El módulo de Elasticidad que se deriva de estos ensayos depende mucho de las condicionesambientales. Así para PVC se obtienen los valores de la Tabla 1.

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6 ENSAYO A RASGADO. Es un ensayo extremamente importante porque normalmente define

la tensión máxima admisible. En una membrana las concentraciones locales de esfuerzos derivanrápidamente en rasgado. Por esa razón cualquier corte progresa rápidamente rompiendo hilo tras

hilo. Una fórmula utilizada habitualmente a falta de ensayos es

Siendo n el número de hilos rotos y Kn el coeficiente de mayoración de la concentración de

tensiones en el borde de la rotura. En la Fig. 7 se muestran los dos tipos de ensayo que se utilizanpara el ensayo de rasgado. Cuando se alcanza la tensión de rotura en este pico comienza lapropagación del rasgado. Esta fórmula simplificada queda del lado de la seguridad de acuerdo conlos ensayos realizados (Figura 5).

Figura 5. Coeficiente de rasgado utilizado simplificadamente y comparación con materialesreales (Hypalon con PVC).[Ref. xx]

La temperatura influye bastante en la tensión de rotura por rasgado como se aprecia en laTabla 3 para Poliéster recubierto de PVC. 

Tabla 2. Influencia de la temperatura en la propagación del rasgado

)1n2·...·(7·5·3)2n2·...·(8·6·4

Kn+

+=

 

TEJIDO TRENZADO

NÚMERO DE

HILOS/cm(TRAMA/URDIMBRE)

HILOS

TOTALES

RESISTENCIA

NOMINALDEL TEJIDO(Kg/cm)

RESISTENCIA ACTUAL DE LA FÁBRICA(Kg/cm) EFICIENCIA A LOS

70º(TRAMA/URDIMBRE)%

TEMPERATURAAMBIENTE

(TRAMA/URDIMBRE)

70º(TRAMA/URDIMBRE)

TIPO I TRENZADOPLANO 1/1 9/9 1,100 61.2 66.6/58.1 57.0/52.3 86/90

TIPO IITRENZADOEN CESTA

2/212/12 1,100 87.5 96.7/89.9 88.8/88.3 86/92

TIPO IIITRENZADOEN CESTA

2/210.5/10.5 1,670 114.3 119.8/104.7 103.7/98.3 87/94

TIPO IV TRENZADOEN CESTA 12/12 1,670 132.7 144.5/129.0 125.7/120.0 87/93

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7 RIGIDEZ A TRACCIÓN EN LOS ENSAYOS UNI Y BIAXIALES. Se obtiene aplicando las

cargas en una y otra dirección. Sin embargo en el ensayo biaxial la influencia del módulo dePoisson obliga a manipular el ensayo, por ejemplo cambiando la carga de una a otra dirección. La

Fig. 6 muestra las curvas obtenidas para el Poliéster con PVC y la Tabla 3 los resultadosnuméricos, que, como se ve en la tabla 4 depende bastante de la temperatura.

Fig. 6 Curvas tensión-deformación para el poliéster recubierto con PVC. [Ref xx]

PROPORCIÓN DE CARGA

(TRAMA/URDIMBRE)

PRIMERA CARGA

Ewt Eft(Kg/cm)

20 CARGAS

Ewt Eft(Kg/cm)1/1 y 2/11/1 y 5/11/1 y 0/1

390.2 196.4414.8 202.4392.6 191.2

816.5 606.2729.8

556.9- -

NOTAS: Ew en la dirección de la urdimbre Ef en la dirección de la trama t espesor del textilTabla 3.. Rigidez longitudinal del poliéster recubierto con PVC

TEMP.ºC

VELOCIDAD(mm/min)

DIRECCIÓNE1 E10 

1.APLICANDOCARGA

1.QUITANDOCARGA

10.APLICANDO CARGA

10.QUITANDOCARGA

-20 3 TRAMA

URDIMBRE

55.500

24.500

67.500

63.000

100.000

93.000

102.000

81.000+20 3 TRAMAURDIMBRE

23.00015.000

58.50057.500

68.50063.000

62.00068.500

+80 3 TRAMAURDIMBRE

19.50014.000

52.50049.000

53.50048.500

58.00056.000

Coeficiente de presión para la carga y descarga de 1. y 10.Ciclos de carga en el intervalo de 280 a 1600 Kg/m.Tabla 4. Influencia de la temperatura en la rigidez longitudinal para poliéster recubierto de PVC.

COEFICIENTE DE POISSON. Una membrana, por su especial conformación física cambiasu módulo de Poisson en función del esfuerzo en la dirección de los hilos. La influencia del módulode Poisson es tan grande que en los ensayos uniaxials puede llegar a alcanzar el valor de 1. Engeneral los ensayos biaxiales dan valores del 50% de los anteriores En la Fig. 7 puede verse un

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8 diagrama del que puede obtenerse este coeficiente en la dirección de la trama y de la urdimbrepara distintos valores de la elongación.

Fig. 7 Ensayo para determinar el módulo de Poisson mediante un ensayo uniaxial. [Ref xx]

relación de cargas/load ratio(trama/ urdimbre) (warp/fill)

Primera carga / first loadig

µwf µfw

veintea cargas / 20 loadigs

µwf µfw 

1/1 y/ and 2/1 0,130 0.259 0,055 0.074

1/1 y/ and 5/1 0,104 0.212 0,132 0.173

Tabla 5. Valores del módulo de Poisson obtenidos para ensayos biaxiales en PVC.

RIGIDEZ TANGENCIAL. Es difícil medir esta rigidez y todavía no hay ningún ensayodefinido para ello. En contrapartida suele utilizarse una expresión como

Otro método es el de realizar el ensayo cilíndrico de la Fig.10. Los valores de la rigideztangencial oscilan entre 1/50 y 1/100 veces los de la rigidez longitudinal.

xt

x

ytxttº45t E2

E1

E1

E4

G1 υ

+−−=

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Fig. 10. Ensayo para medir la rigidez tangencial. Ref xx.

7. NUEVOS MATERIALES ESTRUCTURALES AVANZADOS.

Desde hace algunos años se utilizan materiales sintéticos basados en polímeros o fibrasminerales con prestaciones iguales o mejores a los cables de acero y con menos de susinconvenientes.

Por ejemplo, pueden evitarse los problemas de oxidación que incluso en aceros biengalvanizados o inoxidables pueden darse bajo condiciones agresivas o problemas de rigidez queen los cables de acero exigen radios de doblado muy grandes.

Estos materiales que vienen siendo habituales en tendidos eléctricos o conductores y enusos marinos todavía no se han incorporado plenamente a la edificación. Cuando así lo han hecho,por ejemplo las aramidas en la Torre de Comunicaciones de Collserola en Barcelona de NormanFoster ha sido para evitar interferencias en las comunicaciones y no por sus ventajas estructurales.

No obstante, en cubiertas móviles, por ejemplo los aceros resisten muy mal el desgastemientras que los nuevos cables a partir de estos nuevos productos son especialmente adecuados.En la Figura 11 se muestran relaciones entre los distintos materiales que vamos a tratar.

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Figura 11.Relación entre rotura y alargamiento de determinadas fibras.

Muchos de estos materiales tienen denominaciones comerciales y están sujetos todavía apatentes que hacen que sean suministrados por grandes multinacionales a través de aplicacionesque, usualmente, no son para la construcción. No obstante, cuando así lo permita el material, losdenominaremos con el nombre genérico.

7.1. FIBRA DE POLIÉSTER.Son las primeras fibras sintéticas utilizadas extensionados sobre una base de polietileno.Fueron muy apreciadas por su ligereza y sus propiedades dieléctricas y antimagnéticas.No obstante, su 10% de alargamiento antes de la rotura, su poca resistencia a la tracción y

su límite de utilización entre –35º y 55ºC han hecho su uso poco aconsejable en la edificación.

7.2. FIBRA DE POLIETILENO.Se distribuyen bajo dos nombres comerciales:ALLIED con SPECTRA® DSM con DYNEEMA® El Spectra® es una de las fibras más fuertes y a la vez más ligeras. Se trata de una fibra que

en términos relativos de peso tiene una resistencia 10 veces mayor que la del acero y una fuerzaespecífica que supera en 40 veces a la fibra de aramida. La fibra de Spectra® se fabrica conpolietileno de peso molecular ultraalto que se produce mediante un proceso patentado de bobinadocon gel. La fibra Spectra® es lo suficientemente ligera como para flotar y demuestra una altaresistencia a productos químicos, agua y luz ultravioleta.

El Dyneema® es una fibra de polietileno de alto rendimiento que se fabrica mediante unproceso de bobinado con gel, que ofrece la máxima fuerza a la vez que un peso mínimo y una

resistencia 15 veces superior a la del acero. El Dyneema® es altamente resistente al agua, sudor,olores y sustancias químicas, proporcionando una mayor vida útil al producto final. El Dyneema® es el material de fibra más fuerte del mundo y se utiliza para chalecos antibalas. Cuando seemplea en guantes, se obtiene un producto altamente flexible, confortable y que proporciona unalto rendimiento

Estas fibras de alta tenacidad tienen un peso inferior a las restantes fibras, pero su bajomódulo de elasticidad y, por tanto, su falta de estabilidad dimensional bajo carga desaconsejan suuso en cables de estructuras.

7.3 FIBRA DE CARBONOTienen cargas de rotura extraordinarias y alargamientos reducidos, lo que permite pequeñas

secciones. Sin embargo, su gran rigidez la destina únicamente a aplicaciones rectilíneas sin riesgo

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11 de choque o de abrasión y longitudes menores de 10 m por el coste de transporte, puesto que nopueden enrollarse en radios pequeños.

7.4. FIBRA DE ARAMIDA.Fue descubierta en 1965 en el equipo de investigadores de DUPONT y comercializada en

1972 bajo el nombre de KEVLAR®. Pasado el tiempo de la patente otras empresas las fabricancon características similares denominadas.

TWARON® de la sociedad AKZOTECHNORA® de la sociedad TESJINTienen altas propiedades dieléctricas y son amagnéticas y no conductoras. Sin embargo

tienen muy poca estabilidad a los rayos ultravioletas, lo que las hace precisar de protección.Todas estas fibras para su utilización como cables necesitan ser confeccionadas en forma

de cordones que incorporan las ventajas de cada una de las fibras expuestas y que puedenmezclar varias de ellas para aprovechar las buenas propiedades de cada una.

La parte resistente de los cordones utilizados es en la actualidad fundamentalmente a partirde aramidas en filamento que se pegan con productos de bajo peso y altamente flexibles.

En la tabla 5 se muestra la resistencia de la combinación de hilos de Aramida y en la tabla 6la resistencia de cordones a partir de los hilos citados.

Diámetronominal

(mm)

Composición PesoKg/m

Resistencia arotura Kg

0,75 1x3 0,35 661,00 1x3 0,54 951,50 2x4 1,47 2402,00 5x3 2,61 4142,50 8x3 4,29 612

3,00 12x3 7,2 7303,50 14x3 8,39 8504,00 18x4 14,4 14704,50 22x4 17,59 17955,00 27x4 21,59 22005,50 34x4 27,19 27706,00 40x4 32 3265

Tabla 5. Resistencia de hilos de Aramida trenzados.

Diámetronominal

(mm)

Construcción RendimientoKg/m

Fuerza derotura Kg

6,50 7 hilos 35 35708,00 7 hilos 42,39 4420

10,00 7 hilos 67,19 685012,00 7 hilos 97,98 1000014,00 7 hilos 132,98 1357016,00 7 hilos 173,58 1770019,00 7 hilos 244,97 2500022,00 7 hilos 327,56 3340025,00 7 hilos 422,75 4310028,00 7 hilos 531,93 54200

Tabla 6 Resistencia de cordones de Aramida trenzados.

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12 Dada la inestabilidad de estos materiales a la luz solar es conveniente protegerlos mediante

algún polímero termoplástico extrusionado. Al ser normalmente de color negro por las cargas decarbono que lleva, para mejorar su aspecto, todavía tienen una segunda cubierta con

características de color y tacto adecuadas.Los productos utilizados normalmente para el recubrimiento de la aramida son:- El poliuretano- El polietileno- La poliamida- El poliésterLos cables terminados así ofrecen frente al acero las siguientes ventajas:- Entre 25 y 20% de peso con respecto al acero- Aspecto y durabilidad- Resistencias entre 1 y 54 Ton.- También responden a composiciones del tipo 7x19-1x19 o 1x37 mediante una expresión

ExS.

- Para productos ExS equivalentes al acero tenemos resistencias superiores.- Su alargamiento de rotura es en general de 3.5%- Aunque siguen siendo más caros que los cables galvanizados lo son menos que los

inoxidables.El KEVLAR®, utilizado como tejido, puede ser recubierto con cualquiera de los protectores

citados en apartados anteriores. Además de su alta resistencia una de sus principales propiedadeses su resistencia a la propagación del rasgado. La Tabla 7 muestra propiedades con distintosrecubrimientos. Mientras que la Fig. 16 muestra la comparación con varios materiales.

Uno de los proyectos más conocidos resueltos con KEVLAR® es la Cubierta del EstadioOlímpico de Montreal (Fig. 12.33), con 40.000 m2. Este proyecto era retráctil y el material esKEVLAR® recubierto con PVC, supuestamente muy flexible (Tabla 12.25). El hecho de serenormemente plano frente a la magnitud de las nevadas ha provocado la ruina total de la cubiertaen dos ocasiones hasta que finalmente se ha cambiado la solución estructural

TRACCIÓN RAYADO ELONGACIÓNKEVLAR  

S-1815500 300 RECUBRIMIENTO

TEFLÓNKEVLAR  

4911100 830 RECUBRIMIENTO

NEOPRENOTOLVAR ®  2530 600 1.4% CLORURO DE

POLIVINILO

Tabla 7. Propiedades del KEVLAR con distintos recubrimientos.

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13 

Fig. 12. Comparación del KEVLAR con otros materiales. Tabla 8. Características del materialutilizado en la cubierta de Montreal.

7.5 FIBRA DE CARBONOSuele comercializarse con alma de fibra de carbono T300 y resina Epoxi. Sustituyen a las

barras de acero con el 20% de peso.(Tabla 9)

BARRA DE ACERO BARRA DE CARBONO

Todos los cables han sido comparados con un % de alargamiento idéntico al de la barra de acero a un 30% de su carga de rotura (Ra)* Carga de rotura máxima del anillo de carbono bajo ensayo E.P.I.

Tabla 9. Comparativa de barras de acero / barras de carbono

7.6. MALLAS DE ACERO REVESTIDAS.Todavía es una material anecdótico en la arquitectura, pero que ofrece importantes

propiedades resistentes y de estabilidad, dependiendo del material de cobertura, que puede serprácticamente cualquiera, desde el PVC al PTFP. Son materiales que resisten muy bien el corte yel impacto y tienen resistencias que van desde 2.600 a 4.000 N/mm 2. El uso más conocido en laactualidad es el de neumáticos para vehículos.

7.7 PTFT SOBRE FIBRA DE VIDRIO.Se usa cuando quiere utilizarse un producto que cumple todos los requisitos normativos

aunque sea de alto precio y difícil manipulación.

Fibra: 1420 Denier Kevlar  49Revestimiento: Cloruro de polivinilo plastificado,naranja/grisÁrea total cubierta: 18.000 m2 Peso total del tejido: 51 Toneladas métricasDistribución del peso:

Total: 2.2 kg/m2 Tejido: 1.1 kg/m2 

Revestimiento: 1.1 kg/m

2

 Espesor: 2.0 mmAnchura: 3.2 m

DIÁMETROmm Ra daN ALARGAMIENTOCON 30% DE Ra % PESOgr/m3 1200 0.25 55

3.5/3.6 1490 0.25 774.4/4.5 2100 0.28 120

5 2900 0.35 1585.5/5.7 3700 0.37 2026.4/6.5 4700 0.35 2507/7.1 5700 0.35 317

8.4/8.5 7900 0.36 4369.5 9700 0.36 564

DIÁMETROmm Ri* daN ALARGAMIENTOCON 30% DE Ra % PESOgr/m3 1271 0.28 11

4.0 2444 0.28 194.9 3511 0.28 295.5 4605 0.30 36

6.35 6112 0.29 47(7.0) - - -8.0 7410 0.28 76

(9.2) (12697) (0.29) 10010.0 14923 0.31 118

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14 Su resistencia química, su estabilidad térmica su enorme durabilidad y su resistencia tan

grande como la del acero aunque con una densidad 65% menor lo hacen el mejor de losmateriales. Sus propiedades térmicas le confieren capacidad de trabajo entre 260º y –200º. Su

conductividad es de 0.25-0.50 W/K*m. El PTFE es ininflamable salvo que el ambiente contengamás del 90% de oxígeno. El material no se polariza con lo que no absorbe suciedad. La Tabla 10muestra algunas de las propiedades de este material.

Tabla 10. Distintas características de fibra de vidrio recubierta con PTFE.

7.8 HOJAS DE ETFE.El ETFE es un polímero modificado de etileno y tetrafloruoro de etileno que puede transformarsetermoplásticamente para laminado en hojas que se tensan en el interior de marcos sometidos atracción permanente, para lo que se presenta en forma de colchones (Fig. 13) El ancho de lospaneles es de 3.6 m. como máximo. Pero en la actualidad se han conseguido piezas de más de 15m. El estar montado sobre marcos da cierta rigidez a las soluciones aunque pueden conseguirsebordes flexibles (Figura 13).El ETFE se fabrica por extrusión con boquillas de la misma longitud del ancho de la pieza a fabricary un grueso entre 50 y 250 µm. Su nombre comercial es NOWOFLON® ET-6235 que también secomercializa bajo la marca DYNEON® ET-6235.Una propiedad muy provechosa de este material es que es autolimpiante por su naturaleza anti-adhesiva. La otra, quizás la más importante, es su gran transparencia, entre el 94 y l 97%, mayor

que la del vidrio. Además puede colorearse y admite impresión de imágenes. Otra propiedadimportante es que por ser termoplástico es reciclable y puede utilizarse para ser relaminado [Ref.6]. En la Fig. 14 se muestra el diagrama tensión-deformación. Aunque no soporta frente al fuegoambientes con más del 25% de oxígeno, tiene un buen comportamiento térmico y está aceptadopor la normativa europea con la clasificación de 0. La principal ventaja de este material es que esvirtualmente transparente, y es por lo que se le usa con frecuencia. En la Tabla 11 pueden versealgunas propiedades estructurales [Ref.1].

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Figura 13. Distintos tipos de cogida de los bordes de colchones de ETFE.Figura 14. Diagrama tensión-deformación de la hoja de ETFE

PROPIEDADES DEL ETFE(Etilenotetrafluoruroetileno)

ASTM (American National StandardsInstitute)

ETFE

PROPIEDADES MECÁNICAS/ MECHANICAL PROPERTIESPeso específico/Specific

Weight D792 1.74

Alargamiento/ lengthening % D638 420~460Resistencia a

tracción/Ultimate tensilestrength (MPa)

D638 42~47

Resistencia a flexiónFlexural tensile strength

(MPa)D790 38

Módulo de Young/Young

Modulus (MPa) D638 585~654Espesor/ Thickness 50-150µm

PROPIEDADES TÉRMICAS/TERMAL PROPERTIES

Punto de fusión/Fusion point°C(°F)

267(512)

Máxima temperatura deservicio/Maxim temperature

serviceability (20,000h)

°C(°F)

150(302)

Clasificación ante elfuego/Standard for fire UL 94 V-0

Conductividad térmica/ Thermal conductivity

BTU/hr/ft2/deg F in 1.65

cal/sec/cm2,ºC/cm 5.7 x 10-4

Coeficiente de dilatacióntérmica lineal 10-5 /°C D696 13

Tabla 11. Propiedades del ETFE de acuerdo con el ASTM D 3159/ Standard Specification forModified ETFE-Fluoropolymer Molding and Extrusion Materials

El proyecto más espectacular realizado hasta el momento es el proyecto Eden de NicholasGrimshaw con 20.000 m2 formado por cientos de hexágonos y pentágonos (Fig. 15) de 5.5 m. delado en los que el material se ha colocado en forma de almohada como hemos citado (Fig.16).[Ref. 2]

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16 

Fig. 15 Esquema general del Proyecto Edén en Cornuailles.Fig. 16 Vista parcial del Proyecto Edén en Cornuailles.

El proyecto reciente más espectacular es el Allianz Arena en Munich, en el que se han utilizadocolchones rómbicos (Figura 17) [Ref. 7].

Figura 17. Cerramiento del Allianz Arena en Múnich con colchones rómbicos de ETFE

REFERENCIAS.1. ASTM D 3159 Standard Specification for Modified ETFE-Fluoropolymer Molding and

Extrusion Materials. ASTM International 2006.2. Barnes,M; Dichikson,M. “Widespan Roof Structures” Thomas Telford. 20003. Escrig, F.;Sanchez,J. “Estructura en tracción” STAR. Structural Architecture.2006 Nº 5 y 64. Foster, B.; Mollaert, M. Ed. “European Design Guide for Tensile Surface Structures”

Tensinet. 2004.5. IASS. “Recommendations for Air-Supported Structures” 1985.6. Robinson-Gayle,S. et alii. “ETFE foil cushions in roof and atria” Construction and Building

Materials 15 (2001) pp323-3277. LeCuyer, A.W. “ETFE.Technology and Design” Birkäuser, Basel. 2008