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Desarrollo de una unidad de vidrio aislante en esquina Escrito por: Albert Vidal (Ingeniero Industrial) Empresa: Strain Engineering SL Email: info@strain.es Web: www.strain.es Resumen El nuevo hotel Silken construido en el centro econmico y financiero de Londres ha introducido un nuevo reto en el uso arquitectnico de vidrio. El diseo y la fabricacin de unidades de vidrio aislante en esquina de 2.5 m de alto y 2 m de desarrollo. Las unidades, consistentes en dos hojas a 90, cuentan con una unin totalmente transparente. Este artculo describe el diseo y la ingeniera de este producto innovador poniendo nfasis en las etapas decisivas desde el punto de vista de la fiabilidad. La integridad a largo plazo ante la penetracin de vapor de agua, factor clave debido a la falta de separador en la junta vertical, ha sido solucionada gracias a un diseo conceptual intenso y creativo. La fabricacin y la instalacin, etapas totalmente superadas en vidrio aislante convencional, han sido crticas en el desarrollo de este producto. Las soluciones y medidas adoptadas se describen en este artculo. Introduccin Fabricar una esquina totalmente transparente utilizando paneles de vidrio monolticos o laminados no es un gran logro. Fabricar una esquina con aislamiento trmico mediante dos unidades de vidrio aislante (en adelante UVA) a 90 tampoco. Combinar las dos cosas, aislamiento y transparencia, es posible desde hace tiempo gracias a la tecnologa de curvado de vidrio. Las dificultades aparecen cuando el aislamiento y la transparencia deben combinarse con una arista afilada en la esquina. Este es el punto de partida de un largo proceso de diseo e ingeniera que ha combinado estas especificaciones inusuales con las siguientes: Dimensiones generales de la UVA: 2525 mm de altura, 950 mm de ancho (cada hoja), esquina a 90. Accin del viento de acuerdo a BS 6399-2:1997 [1]. Obteniendo una succin de viento mxima de -1566 N/m2

y una presin de viento mxima de 1347 N/m2 (Las dos cargas en servicio). Acciones internas (cargas climticas y de altitud) de acuerdo a prEN 13474-1:1999 [2]. Considerando que la

instalacin tiene lugar lejos de la planta de produccin ubicada en Logroo (Espaa), el transporte tiene que ser cuidadosamente estudiado para verificar que durante el itinerario la carga de altitud queda dentro de los lmites admisibles.

Transmitncia trmica de la UVA inferior o igual a 1.9 W/m2K. Serigrafa oscura a lo largo de todo el permetro para esconder el marco de la ventana. Dos franjas de serigrafa verticales imitando el aspecto del mateado al cido para esconder las luminarias de

ctodo frio ubicadas junto al vidrio al lado de las dos aristas verticales laterales. Este artculo describe el desarrollo de este producto el cual culmina en una unidad de vidrio aislante en esquina sin separador en la juta vertical con la siguiente composicin y caractersticas: 6 mm extraclaro termoendurecido + 1.5 mm PU AG8451 + 6 mm termoendurecido Franja de serigrafa RAL 9005 de ancho variable en cara #2 escondiendo el marco de la UVA. Sunergy claro en cara #4. Franjas verticales de serigrafa imitando el mateado al cido en cara #4 Cmara de aire de 16 mm 6 mm extraclaro termoendurecido + 1.5 mm PU AG8451 + 6 mm extraclaro termoendurecido Transmitncia trmica: 1.9 W/m2K (BS EN 673:1998 [3]) Transmisin luminosa: 62% (BS EN 410:1998 [4])

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Transmisin energtica: 43% (BS EN 410:1998 [4]) Factor solar: 48% (BS EN 410:1998 [4])

Figura 1 Vista interior de la esquina Diseo conceptual Eliminar el separador en la esquina proporciona una gran transparencia pero al mismo tiempo pone en grave peligro la integridad de la unidad de vidrio aislante ante la penetracin de humedad. El principal objetivo de la fase de diseo conceptual fue asegurar la integridad ante la penetracin de humedad incluso ante escenarios no previstos. Antes de obtener una solucin satisfactoria se analizaron multitud de diseos.

Figura 2 Varios conceptos de esquina incluyendo el finalmente adoptado. La alternativa mostrada en la figura 2a fue descartada debido a su poca fiabilidad. Aunque el material escogido como intercalario fuera el adecuado (resistencia a los rayos ultravioleta, rigidez, tensiones y deformaciones admisibles, etc.) este diseo proporciona una dbil barrera ante la penetracin de humedad. Cualquier pequeo poro en el material generado antes o despus de la instalacin acabara en condensacin dentro de la cmara de aire. Las alternativas mostradas en las figuras 2b, 2c y 2d proporcionan una barrera de vapor mejor pero fueron descartadas debido a su falta de transparencia. El diseo finalmente seleccionado (mostrado en la figura 2e) proporciona una doble barrera al vapor. En caso que ante unas condiciones de trabajo no previstas las cargas sobre la franja vertical de intercalario (N1 en la figura 2e) fueran superiores a las admisibles y esta tira se despegara total o puntualmente, el intercalario continuo (N2 en la figura 2e) se mantendra en su posicin preservando la estanqueidad de la cmara de aire.

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El fenmeno ptico conocido como Reflexin Total mejora la transparencia de la esquina haciendo literalmente invisible el canto de los distintos paneles de vidrio que componen la unin. La ley de Snell describe la relacin entre los ngulos de incidencia y refraccin cuando la luz cruza la interficie de separacin entre dos medios isotrpicos distintos. n1 seno 1 = n2 seno 2 Cuando la luz pasa de un medio denso a otro de menos denso existe un ngulo de incidencia crtico tal que el ngulo de refraccin es de 90. Cuando esto se da el 100% de la luz es reflejada hacia el medio incidente. Para vidrio sodoclcico y aire (ambos a 20C) el ngulo crtico es crit = 41.1 En la unidad de vidrio aislante diseada, con un ngulo de apertura de 90 y los paneles de vidrio cortados a 45 todos los rayos de luz procedentes del canto del vidrio tienen un ngulo de incidencia superior al ngulo crtico, el canto del vidrio es siempre reflejado y, como consecuencia, cualquier objeto situado dentro del vidrio en la zona del canto cortado a 45 no puede ser visto desde el interior. Por otro lado, objetos situados dentro de la cmara de aire o fuera de la UVA, al no encontrarse en un medio ms denso, son perfectamente visibles.

Figura 3 Reflexin total Seleccin del material Despus de una prospeccin exhaustiva tanto en el campo de los intercalarios para vidrio como en el de las cintas acrlicas, se preseleccionaron cinco productos: 3M VHB, PVB, EVA, SGP, PU AG8451 (Polyether Aliphatic Polyurethane). De entre estas opciones los productos SGP y PU AG8451 fueron seleccionados para pasar a la fase de ensayo. Caractersticas que motivaron esta eleccin fueron sus propiedades mecnicas, su buen comportamiento ante la radiacin ultravioleta y su baja permeabilidad al vapor de agua. Si bien las propiedades generales de estos materiales fueron facilitadas por los fabricantes, la resistencia a tensin centrada y excntrica tuvo que ser determinada experimentalmente (ver figura 4). Los resultados obtenidos mostraron que la aplicacin de imprimaciones no incrementa significativamente la resistencia pero si reduce de forma muy notable la dispersin de resultados.

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A modo de ejemplo, los valores obtenidos para el SGP bajo tensin excntrica se encuentran en el rango de 19.1 MPa a 20.5 MPa aplicando la imprimacin correspondiente y de 14.9 MPa a 21.7 Mpa sin aplicarla. (Carga aumentando a una velocidad de 5 mm/min hasta el final del ensayo). Tanto el SGP como el PU AG8451 fueron aceptados para la fabricacin de prototipos.

Figura 4 Determinacin experimental de la resistencia del material Verificacin numrica Mientras que el dimensionado de los paneles de vidrio no ofreca una dificultad especial, la verificacin numrica de la junta en esquina si present una complejidad importante. Se construyeron modelos de clculo por elementos finitos bi y tridimensionales mediante los cuales se obtuvieron, tal como se esperaba, grandes diferencias en las tensiones sobre la junta en funcin de la rigidez del intercalario. Para rigideces elevadas (SGP, 1 minuto, 20C, E=280 MPa) la tensin principal mxima generada en el intercalario es de 30 MPa. Para rigideces intermedias (SGP, 1 minuto, 50C, E=12 MPa) la tensin disminuye a 22 MPa. Los mejores resultados se obtienen para bajas rigideces (alrededor de 0.5 MPa. Las hojas tcnicas para el PU AG8451 dan un mdulo de Young de 0.06 MPa para deformaciones inferiores al 10%) que reducen la tensin principal mxima a 4 MPa.

Figura 5 Modelos de clculo por elementos finitos

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Proceso de fabricacin a medida Las singularidades de esta unidad de vidrio aislante hicieron necesario el diseo de un proceso de fabricacin a media. La caracterstica ms destacable de este proceso es el uso de dos ciclos de autoclave. Durante el primer ciclo de autoclave las hojas de ambas manos son laminadas por separado vigilando que el intercalario rebase la arista cortada a 45. La figura 6a muestra la limpieza e inspeccin de las hojas pre procesadas (canto achaflanado, capa y serigrafa aplicadas, termoendurecido) antes de pasar a laminacin. La figura 6b muestra el corte del intercalario despus de laminar. El exceso de intercalario es cortado sin ningn requerimiento especial excepto en el canto con la arista achaflanada a 45 donde el excedente es plegado sobre la superficie del canto. Los mejores resultados se obtienen con un exceso de 8.5 mm (8.5 = 6 / seno 45 = canto del vidrio de 6 mm de espesor cortado a 45). Durante el segundo ciclo de autoclave se laminan dos hojas de distinta mano formando una nica unidad (ver figura 6c). La geometra y el espesor de la junta son controlados mediante molde a 90. El exceso de 8.5 mm de intercalario que en ambas hojas ha sido plegado sobre la superficie del vidrio, se distribuye uniformemente sobre la superficie de 19 mm de ancho del canto del laminado (19 = 6 + 1.5 + 6 / seno 45). Se utilizan materiales antiadherentes en el molde para evitar desperfectos en la esquina. Siguiendo estos pasos por duplicado se obtienen los laminados interior y exterior mediante los cuales podr formarse la unidad de vidrio aislante. Debido a su forma en esquina las lneas de lavado automtico no pueden utilizarse despus del segundo ciclo de autoclave. Se disearon procedimientos de limpieza manual utilizando retroiluminacin (ver figura 6d). Una vez fabricadas las primeras unidades se identific esta fase de la produccin como una de las ms crticas. Igual que para las lneas de lavado, despus del segundo ciclo de autoclave los utillajes convencionales dejan de ser utilizables y deben utilizarse accesorios fabricados a medida (ver figuras 6e a 6h). Fabricados los paneles interior y exterior puede iniciarse la fase de ensamblaje. Las figuras 6e y 6f muestran esta operacin en la que los dispositivos de manutencin juegan un papel clave. Finalmente la figura 6g muestra algunas unidades en fase de curado del sellado perimetral antes de ser giradas en posicin vertical para embalaje y transporte (ver figura 6h). El transporte horizontal fue descartado para evitar la introduccin de tensiones en la junta debidas a la combinacin del peso propio de la UVA con las vibraciones verticales y horizontales propias del transporte.

Figura 6 Proceso de fabricacin personalizado. Cortesa de Glass XXI.

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Ensayos preliminares Diseado el proceso de fabricacin y disponibles todos los utillajes, accesorios y equipos necesarios se procedi a la fabricacin de los primeros prototipos a escala real. Se utiliz tanto SGP como PU obteniendo en los dos casos juntas en esquina de excelente calidad. Las unidades de vidrio aislante fueron pegadas a su marco de aluminio que a su turno fue atornillado sobre un marco de acero. En los dos casos se utilizaron manipuladores a medida y se control exhaustivamente todas las operaciones para asegurar que la esquina no sufra ningn dao. El conjunto UVA-marco fue instalado en un banco de pruebas exterior simulando las condiciones de obra. Mediante inspeccin visual sobre los prototipos instalados se detectaron pequeas deslaminaciones en la junta del prototipo en SGP que no existan cuando la UVA estaba almacenada sin marco en posicin vertical. El prototipo en PU, en cambio, no experiment ningn cambio.

Figura 7 Deslaminaciones en la esquina del prototipo en SGP. Esta observacin origin una investigacin cuyas conclusiones fueron: El marco de acero presentaba un cierto error dimensional que tena el origen en las tolerancias de

fabricacin. Las medidas mostraron que las desviaciones en el ngulo de la esquina se encontraban dentro de un rango de 0.3. Si bien estas tolerancias pueden ser minimizadas nunca podrn eliminarse.

Las tolerancias conseguidas con la fabricacin de la propia UVA eran similares. Las medidas mostraron que las desviaciones en el ngulo de la esquina se encontraban dentro de un rango de 0.2.

La combinacin de las dos tolerancias de fabricacin daban una diferencia mxima en ngulo de 0.5. Aunque pequea, esta diferencia combinada con la elevada rigidez del SGP genera tensiones importantes

sobre la junta en esquina. Mientras el intercalario continuo se mantiene en su posicin sin dao alguno (N2 figura 2e) la tira transversal de intercalario (N1 figura 2e) no puede resistir las tensiones y se deslamina.

Se constata que la unidad de vidrio aislante sigue siendo estanca an y presentando defectos en la primera barrera de vapor.

Por otro lado, la esquina fabricada en poliuretano, gracias a su menor mdulo elstico, trabaja como una articulacin capaz de alojar las pequeas tolerancias angulares.

Las conclusiones obtenidas de estos ensayos preliminares coincidan con los resultados de los clculos que mostraban tensiones hasta 7.5 veces superiores para el SGP. En consecuencia se eligi el poliuretano AG 8451 como intercalario para la produccin.

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Ensayos Para anticipar la validez del SGP y el poliuretano para esta aplicacin durante el diseo conceptual se realizaron ensayos de penetracin de humedad con un ciclo de envejecimiento acelerado de 3 semanas [5]. Los resultados fueron positivos para ambos materiales y en consecuencia los dos quedaron validados para la fabricacin de prototipos a escala real. Cuando a raz de los ensayos preliminares el poliuretano fue seleccionado para la produccin, se iniciaron ensayos de penetracin de humedad de ciclo largo de acuerdo a EN 1279-2:2003 [6] sobre muestras laminadas con PU AG8451. Despus de 4 semanas dentro de la cmara climtica de envejecimiento sufriendo 56 ciclos de temperatura de 12h pasando de -182 C a +531 C y otras 7 semanas dentro de la misma cmara a +580.5 C y una humedad relativa superior al 95%, los resultados mostraros que el ndice de infiltracin de humedad medio se encontraba para todas las muestras dentro del rango admisible. La figura 8 muestra una unidad dentro de la cmara de envejecimiento. Si bien los resultados fueron positivos se constat que el contenido inicial de humedad en el desecante era considerablemente alto. Analizando el proceso de fabricacin y comparndolo con el de unidades de vidrio aislante convencionales, se puede afirmar que este alto contenido de humedad es debido al largo tiempo que requiere la operacin de ensamblado. A la luz de esta observacin se prest una atencin especial a esta fase de la fabricacin para reducir en lo posible el ratio de saturacin del desecante y permitir una capacidad de absorcin de humedad razonablemente alta. Simultneamente a estos ensayos la esquina fue verificada a impacto de acuerdo a EN 12600:2003 [7].

Figura 8 Muestra dentro de la cmara de envejecimiento. Cortesa de APPLUS.

Figura 9 Test de impacto

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Conclusiones Este artculo ha descrito las etapas clave del desarrollo de una unidad de vidrio aislante en esquina formada por dos hojas unidas a 90 utilizando una unin totalmente transparente. Este proyecto corrobora que para desarrollar con xito un nuevo producto todas las etapas sin excepcin deben ser cuidadosamente analizadas. Operaciones como la manipulacin o la limpieza, triviales en productos convencionales pueden convertirse en crticas si no son analizadas adecuadamente.

Figura 10 Unidades de vidrio aislante instaladas Tabla 1 Participantes Propiedad Urvasco Ltd. Pablo Couto

Arquitecto Foster & Partners Giles Robinson, Nick Ling, Petra Hartmann

Consultor ingeniera fachadas Arup Faade Eng. Steve Bossi, Darren Anderson,

Project manager IDOM Jos Angel Fernndez, Giuseppe Campaniello, Sergio Llamosas

Diseo y construccin Bellapart Francesc Arbs, Albert Vidal, David Linares

Fabricante UVA Glass XXI-Rioglass Flix Ainz

Agradecimientos A todos los participantes detallados en la tabla 1. Referencias [1] BS 6399-2:1997. Loading for Buildings. Part 2: Code of practice for wind loads [2] prEN 13474-1:1999. Glass in building. Design of glass panes - Part 1: General basis of design. [3] BS EN 673:1998. Glass in building. Determination of thermal transmittance (U value). Calculation method. [4] BS EN 410:1998. Glass in building. Determination of luminous and solar characteristics of glazing. [5] UNE-EN 1279-6:2002. Glass in building - Insulating glass units - Part 6: Factory production control and periodic tests. [6] UNE-EN 1279-2:2003. Glass in building - Insulating glass units - Part 2: Long term test method and requirements for moisture penetration. [7] UNE-EN 12600:2003. Glass in building - Pendulum test - Impact test method and classification for flat glass.