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EL VIDRIO COMO ELEMENTO ESTRUCTURAL EN ARQUITECTURA: PATOLOGÍAS
Francisco Capel del Águila
Instituto de Cerámica y Vidrio. Consejo Superior de Investigaciones Científicas.
C/ Kelsen, nº 5. 28049 Madrid.
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El vidrio es en la actualidad uno de los materiales más visibles que aparecen en el entorno arquitectónico de las
ciudades. Es un material frágil y, desde el punto de vista de sus propiedades mecánicas, es complejo y necesita un
conocimiento profundo del mismo y de todas las solicitaciones externas a que está sometido para evitar roturas
indeseables.
Los arquitectos han encontrado en el vidrio una manera de expresión plástica construyendo auténticas “cajas de cristal”
con multitud de formas y colores. La utilización del vidrio como elemento estructural es cada vez más abundante en la
arquitectura actual. Debido a su atractivo, es un material que está de moda y de ahí su gran utilización por parte de los
profesionales para vestir a los edificios con una piel que tiene múltiples posibilidades estéticas.
En el presente trabajo, después de una pequeña introducción histórica del vidrio cuyos inicios se remontan a unos cinco
mil años aproximadamente, se abordará las bases de la arquitectura del vidrio en el siglo XX, las propiedades y
condiciones que deben cumplir los vidrios para las distintas aplicaciones del mismo como elemento estructural en la
arquitectura actual. Finalmente se analizan una serie de patologías que se presentan en los vidrios utilizados en la
construcción, unas que dan lugar a la fractura del material, como son choque térmico, inclusiones metálicas, etc., y
otras que producen alteraciones ópticas.
ABSTRACT
Flat glass is now one of the most noticeable materials appearing in the urban environment of cities. It is a brittle
material, and from the standpoint of its mechanical properties, a complex one A thorough knowledge of its properties
and stresses to which it is subjected is requires to prevent undesirable breaks.
Architects have found a way to use glass in buildings giving authentic artistic expressions to "glass boxes" with a
multitude of shapes and colors. The use of glass as a structural element is becoming more abundant in current
architecture. Due to its attractive appearance, glass is a fashionable material. Hence it is of great use by professionals to
decorate buildings with an appearance that has many aesthetic possibilities.
In this paper, after a brief historical introduction of glass going back some five thousand years or so, we will address
the basis of glass architecture in the twentieth century, the properties and conditions to be met by glass for its various
applications as a structural element in the current architecture. Finally we analyze a series of faults which occur in glass
used in construction, leading to a fracture of the material, such as heat shock, metal inclusions, etc, and other optical
disturbances which are sometimes produced.
PALABRAS CLAVE: Historia del vidrio, vidrio estructural, arquitectura, sulfuro de níquel, choque térmico.
1. INTRODUCCIÓN
El vidrio es un material que está íntimamente
relacionado con la historia de la humanidad. Fue
incorporándose a la cultura de los pueblos a lo largo de
su milenaria historia, entrando primero a formar parte
de sus manifestaciones artísticas y contribuyendo más
tarde a engrosar el conjunto de sus conocimientos
científicos y tecnológicos [1].
El descubrimiento del fuego le dio acceso al hombre a
las altas temperaturas y le permitió desarrollar las
artesanías tales como la metalurgia, la alfarería y la
vidriería y es posible que, como consecuencia de las dos
primeras, se obtuviera el vidrio como subproducto de
forma casual. Algunos autores opinan que el auge del
vidrio coincidió con la metalurgia y por eso consideran
su origen en esa época [2]. Con un amplio margen de
imprecisión se puede asegurar que el vidrio nació en el
territorio comprendido entre los ríos Tigris y Éufrates y
se extendía desde la tierra de Canaán o la costa
mediterránea de Siria hasta el Golfo Pérsico y que esto
sucedió entre finales del periodo Neolítico y los
comienzos de la Edad del Bronce, coincidiendo con la
iniciación de la metalurgia [1].
La fabricación de vidrio de forma regular se inicia en
Egipto en el siglo XVI a.C. y bajo el imperio de la
XVIII dinastía (1587-1327 a.C.). En el reinado de
Tutmés III se inicia la fabricación de vidrio hueco
mediante la técnica del núcleo de arena, tratando de
imitar vasijas de barro de la época. A mediados del
siglo II a.C. se produjo en Sidón la primera innovación
revolucionaria en la fabricación de vidrio, la caña de
soplar, obteniéndose con dicha técnica una mejor
calidad del vidrio ya que se requerían temperaturas más
elevadas que con la pasta de vidrio.
En la época romana ya se hacía uso del vidrio plano en
aplicaciones arquitectónicas tanto para pavimentos y
revestimientos de paredes, como para cerramientos de
huecos y ventanas compartiendo su función con otros
materiales como la mica, alabastro y conchas marinas.
En las ruinas de las ciudades de Pompeya y Herculano,
parcialmente destruidas, primero por un terremoto en el
año 63 d.C. y sepultadas por la erupción del Vesuvio en
el año 79 d.C., se han encontrado restos de hojas de
vidrio plano de acristalamientos de ventanas y huecos
de los baños públicos[1]. El procedimiento para la
fabricación de este vidrio era el de colado en una
superficie plana, que podía ser de metal, piedra o
madera humedecida recubierta de una pequeña capa de
arena dado que todos los fragmentos presentan
rugosidades en una de sus caras, mientras que la otra era
lisa [3]. Los trozos eran de unos 100 x 70 cm y
espesores entre 2 y 15 mm y cuya tonalidad varía entre
el azul verdoso y el verde amarillento y de composición
química semejante a la del vidrio plano actual Fig. 1.
Fig.1.-Vidrio plano de la ciudad de Pompeya (Museo
Arqueológico de Nápoles)
Este procedimiento de colado del vidrio plano no se
volvería a utilizar hasta finales del siglo XVII para la
fabricación de espejos en Francia.
A partir de siglo XII se implantaron dos procedimientos
manuales alternativos para la fabricación de vidrio
plano que han venido empleándose hasta principios del
siglo pasado, como son el de soplado en cilindros o
manchones y el de soplado en coronas, discos o cibas.
El primero de ellos se halla descrito por el monje
alemán Theophilus, cuya obra contiene, además,
diversas recetas sobre la composición de los vidrios y
de sus colores. Mediante el procedimiento de soplado
en coronas se podían obtener discos de diámetro
variable de hasta 60 centímetros [1].
Fig.2.-Machones de vidrio obtenidos por soplado.
(Fundación Centro Nacional del Vidrio. La Granja de
San Ildefonso, Segovia)
La técnica de soplado en cilindros o manchones
coexistió algunos años con los nuevos sistemas
automáticos de fabricación industrial por estirado
mecánico continuo que se implantaron a principios del
siglo XX en Bélgica y en Estados Unidos.
Posteriormente fueron siendo reemplazados por los
sistemas de colado y laminado de las hojas de vidrio
plano.
Los distintos procesos de fabricación del vidrio plano
han ido variando en el tiempo hasta llegar a los sistemas
actuales como son, el vidrio plano laminado o impreso,
fabricado por laminación entre dos cilindros y el vidrio
plano flotado [4].
En el año 1952, la casa Pilkinton Brothers sacó el
procedimiento de fabricación actual de vidrio plano
flotado. La masa de vidrio fundido se vierte, en régimen
continuo, sobre un baño de estaño también fundido. La
superficie del estaño comunica su pulido especular a la
cara de vidrio en contacto con él, mientras que la
superior, a su vez, adquiere su pulido al fuego por
efecto de una serie de resistencias eléctricas, situadas en
el interior del túnel de flotado [1].
En función de la velocidad de estirado de la masa de
vidrio se obtienen distintos espesores. A mayor
velocidad menor espesor y viceversa. Los espesores del
vidrio suelen estar comprendidos entre 3 y 25 mm.
2. APLICACIÓN DEL VIDRIO ESTRUCTURAL
A LA ARQUITECTURA.
2.1. Propiedades mecánicas del vidrio: fragilidad.
El vidrio es un material frágil y, desde el punto de vista
estructural necesita un conocimiento profundo del ismo
y de todas las solicitaciones externas a que está
sometido durante su uso para evitar roturas
catastróficas.
Aunque el término fragilidad no admite una definición
precisa, sin embargo, tiene algún significado práctico.
La fragilidad se puede considerar
como la
suceptibilidad de la estructura de un material a la
destrucción sin deformación plástica y se debe a la
escasa velocidad con que se relajan en él las tensiones
mecánicas que se generan cuando se aplica un esfuerzo,
cosa que no sucede con los materiales plásticos.
Preston [5] estableció una serie de criterios para definir
lo que es un material frágil:
a) Debe fallar a tracción pero no a cortadura.
b) Deberá tener un módulo de elasticidad elevado
c) Deberá tener una gran resistencia mecánica a
tracción.
d) El material debe ser capaz de desarrollar fracturas
bifurcadas por tensiones internas.
Para superar dicha fragilidad y conseguir valores de
resistencia mecánica, cada vez más elevados, para su
uso como elemento estructural, las propiedades
mecánicas del vidrio se han convertido en una de las
áreas importantes de investigación.
La utilización del vidrio como elemento estructural se
ha hecho indispensable en la arquitectura de
vanguardia. Son muchos los arquitectos que usan el
vidrio plano, tanto en el exterior como piel para los
edificios, como en el interior de los mismos en
paramentos de separación de espacios, escaleras etc.
Los vidrios, por debajo de su temperatura de relajación,
se caracterizan por presentar únicamente un intervalo de
deformación elástica lineal y una fractura frágil que se
produce espontáneamente cuando se sobrepasa su límite
de elasticidad. La resistencia mecánica teórica del
vidrio pone de manifiesto que sus propiedades no son
suficientemente conocidas ya que sus valores están
comprendidos entre 6.000 y 9.000 MPa muy superior a
la de los aceros, frente a los 50-70 MPa de resistencia
mecánica real que presentan los vidrios sodo-cálcicos.
La resistencia teórica está calculada sobre la base de la
energía necesaria para romper los enlaces Si-O. En la
mayoría de los materiales existe una discrepancia entre
la resistencia mecánica teórica y la práctica, pero rara
vez supera un orden de magnitud, cosa que no sucede
con el vidrio Fig.3.
Fig.3.-Primer modelo de la Mecánica Lineal de
Fractura. Aproximación de Orowan (1944)
Hay dos conceptos fundamentales del mecanismo de
rotura de un vidrio, uno mecánico y otro cinético. El
primero responde a las microfisuras de superficie que
existen en el vidrio y que fueron formuladas por
Griffiths (1):
σ ≥ σ cr = √ cγo E/L
(1)
Siendo, σ la tensión aplicada, σ cr, la tensión crítica, c
una constante, γo, la energía de superficie, E el módulo
de elasticidad y L la longitud de la grieta. El concepto
cinético está relacionado con la resistencia mecánica del
vidrio a largo plazo, es decir con la fractura diferida del
mismo.
2.2. El vidrio estructural en la arquitectura
La utilización del vidrio en el cerramiento de huecos y
ventanas solo tenía que soportar la acción del viento
y
su propio peso. Sin embargo, el empleo del vidrio como
elemento estructural es cada vez más abundante en la
arquitectura actual, dado las dimensiones de los huecos
y las distintas solicitaciones a las que están sometidos.
Se han postulado varias teorías que explican dicho
comportamiento, siendo la más aceptada la de Griffith
que supone la existencia de microgrietas en la
superficie que actúan como centros de concentración de
tensiones. [6].
Generalmente la resistencia mecánica del vidrio
disminuye con el grado de deterioro de su superficie.
Según Griffith-Inglis, la resistencia mecánica es
proporcional a la profundidad de grieta, de ahí la baja
resistencia mecánica que presentan los vidrios
abrasionados. Los vidrios atacados al ácido o bien
pulidos presentan las resistencias mecánicas más altas
debido a la eliminación de las microfisuras superficiales
[6,7].
Fig.4.-El empleo del vidrio como elemento estructural
en arquitectura. Cúpula de la Ciudad Financiera de
Boadilla del Monte. Mick Eekhout.
Debido a su atractivo, es un material que está de moda y
de ahí su gran utilización por parte de los profesionales
para vestir a los edificios con una piel que tiene
múltiples posibilidades estéticas. Los arquitectos han
encontrado en el vidrio una manera de expresión
plástica construyendo auténticas “cajas de cristal” con
multitud de formas y colores.
σc
σt
+
-
800
600
400
200
+
0
200
6
400
N · 10 /m 2
400
N · 10 /m 2
VIDRIO TEMPLADO TÉRMICAMENTE
El gran desarrollo tecnológico actual de esta industria y
la fuerte competencia mundial existente fomentan la
continua aparición de nuevos productos de vidrio plano
con múltiplas aplicaciones funcionales como son:
Vidrios de control solar
• Vidrios de baja emisividad
• Vidrios de seguridad
• Vidrios resistentes al fuego
• Vidrios decorativos
• Vidrios especiales
En la mayoría de los casos de grandes acristalamientos
de muros cortina, la hoja de vidrio que está sometida a
la radiación solar está templada, bien de forma
monolítica o bien como unidad de vidrio aislante, cuyas
características técnicas permiten soportar diferencias de
temperatura entre la zona caliente y la zona fría de unos
150 ºC.
El proceso de templado térmico es uno de los métodos
más usuales para el reforzamiento mecánico del vidrio:
se calienta hasta la temperatura de reblandecimiento del
vidrio y se enfría bruscamente con aire. Durante el
enfriamiento la capa superficial queda rígida, mientras
que el interior tarde un tiempo en enfriarse. De ahí que
la superficie del vidrio se encuentra sometida a
tensiones a compresión (enfriamiento rápido), mientras
que el interior se encuentra a tracción (enfriamiento
lento) Fig. 7.
La magnitud de las tensiones generadas en el vidrio
templado será tanto mayor cuanto más elevada sea la
diferencia entra las temperaturas de calentamiento y
enfriamiento, mayor sea el espesor del vidrio y menor
su conductividad térmica.
σc
σt
+
+
800
600
400
200
0
200
6
VIDRIO TEMPLADO QUÍMICAMENTE
Fig. 5.-Distribución de tensiones mecánicas generadas
en el vidrio en los procesos de temple térmico y
químico.
3. PATOLOGIAS
La extensa aplicación del vidrio en la actualidad y el
complejo comportamiento mecánico que presenta el
material ante las distintas solicitaciones externas a que
está sometido durante su uso, hace que cada vez más
sea imprescindible un estudio del material. Los dos
grandes grupos de patologías más importantes que se
suelen presentar el vidrio utilizado en la arquitectura
son:
3.1.-Patologías que provocan la fractura del vidrio
Una parte importante de las roturas que se presentan en
los materiales frágiles son por impacto. Toda la energía
del cuerpo percusor se emplea en producir el esfuerzo.
En el caso del vidrio, la morfología de la fractura va a
depender del estado del de vidrio, templado o recocido,
y del cuerpo percusor Fig. 6.
Si el enfriamiento del vidrio se realiza más lentamente
las tensiones generadas en el vidrio son inferiores
obteniéndose lo que se denomina vidrios termoendurecidos. La fractura que presentan ambos tipos de
vidrios, templado y termoendurecio es muy diferente.
En el vidrio templado los fragmentos son muy pequeños
para evitar daños personales en su caída.
En la figura 5 se presentan las tensiones generadas en
el vidrio durante los procesos de temple térmico y
químico, aunque en este último caso los vidrios
endurecidos químicamente se utilizan generalmente en
automoción y en aplicaciones especiales ya que se trata
de un proceso muy caro debido al tiempo que debe estar
el vidrio en sales fundidas para el intercambio iónico.
Fig.6.- Rotura del vidrio por impacto: Morfología de la
fractura en el ensayo de caída de bola.
Aparte de la rotura por impacto, se vienen produciendo
en el vidrio plano utilizado en la arquitectura otro tipo
de fracturas que están relacionadas fundamentalmente
con los siguientes aspectos:
Otro tipo de rotura del vidrio templado, que se está
produciendo con bastante frecuencia es debida a las
inclusiones de sulfuro de níquel en la zona de tracción
del mismo, generándose, por tanto, una concentración
de tensiones cerca de dicha inclusión [8].
- Vidrios recocidos: choque térmico
- defectos superficiales
- dimensiones inadecuadas
- montaje incorrecto/limitación de la dilatación
-vidrios que son templados térmicamente: desigual
enfriamiento; inclusiones metálicas de sulfuro de níquel
El choque térmico se produce por el calentamiento que
provoca la radiación solar en una parte del vidrio
mientras que el resto permanece frío debido a sombras
proyectadas en su superficie por marquesinas columnas,
etc. En este caso se genera una tensión en el vidrio que
no debe sobrepasar cierto valor.
El vidrio templado no tiene problemas debido a la alta
resistencia que presenta al choque térmico, mientras que
en el vidrio recocido se puede producir roturas
importantes. La tensión generada por choque térmico
viene por (2):
σ = E α ΔT
(2)
Siendo σ, la resistencia al choque térmico, E, el módulo
de elasticidad, α, el coeficiente de dilatación y ΔT la
diferencia de temperatura entre las zonas caliente y la
fría. Para un vidrio sodo-cálcico: E = 72 GPa y α = 9 x
10-6 ºC-1 genera en el vidrio una tensión de σ = 0,65
MPa por cada ºC de temperatura.
En el caso de vidrios templados las fracturas más
comunes son debidas a
golpes en sus bordes,
eliminando la capa a compresión que se genera en toda
su superficie durante el templado Fig. 8. Un desigual
enfriamiento durante el proceso templado genera
tensiones diferentes en el vidrio que pueden provocar la
rotura del mismo. -
Fig.8.- Inclusión de una partícula de sulfuro de níquel
en el vidrio observada por MEB.
Estas fracturas presentan la particularidad de producirse
después de bastante tiempo después de templarse. La
formación de estas inclusiones era muy frecuente
cuando se empleaba óxido de níquel en la fabricación
de vidrio gris absorbentes de la radiación solar [1].
La fase α de la variedad hexagonal de NiS de alta
temperatura, con estructura niquelina pasa a fase β con
el nombre de milerita, que es la forma romboédrica
estable a baja temperatura. Este cambio se produce
lentamente y con un fuerte aumento de volumen (2.84%). El paso de la fase β (vidrio recocido) a la fase α se
produce rápidamente a 720 ºC en el templado. Sin
embargo, la reversibilidad de α ⇒ β es lenta,
desarrollándose a unos 379 ºC. Si la composición del
NiS es estequiométrica, baja la temperatura de
transformación hasta 282 ºC y aumenta el tiempo.
En atmosfera reductora el NiS sobrevive en el vidrio
fundido a T > 1000 ºC como Ni3S2. Dado que al vidrio
se le añade una cantidad de Na2SO4 como agente
afinante y carbón como agente reductor, el paso de
Ni3S2 ⇒ NiS (estable a T < 850 ºC) se produce de
acuerdo con la siguiente reacción:
Ni3S2 + Na2SO4 +1½ C → 3 NiS + Na2O + 1½ CO2
El Ni se encuentra en quemadores que son de (Cr-NiMo), en los agitadores, en la materias primas, etc. En el
fuel puede haber hasta 100 ppm de Ni.
Fig.7.-Tensiones generadas en el vidrio templado
observadas mediante un polariscopio. La flecha indica
la tensión a compresión del borde.
Solinov cuestiona la rotura del vidrio templado con
inclusiones de NiS. El autor considera que las roturas
son debidas a las altas tensiones que se desarrollan
alrededor de la inclusión limitando el tiempo de vida del
vidrio de acuerdo con la teoría cinética de la resistencia
a largo plazo [9].
Alrededor de la partícula de NiS se generan
microfisuras durante el enfriamiento del vidrio en el
proceso de fabricación. Si el defecto se localiza en la
zona donde el vidrio está tensionado a tracción, dichas
tensiones crecen y el tiempo de vida disminuye,
llegando a producirse la fractura catastrófica del mismo.
La rotura por partículas de NiS se produce de forma
espontánea una vez colocado en su lugar de
emplazamiento y puede causar, aparte de daños
económicos, daños humanos. Cuando cae por rotura de
su lugar de emplazamiento se conoce como la “lluvia de
vidrio”
3.2.-Patologías que dan lugar a distorsiones ópticas.
Llamamos distorsión óptica a las variaciones de las
imágenes vistas en reflexión o transmisión cuando un
acristalamiento no es perfectamente plano. En el
templado el vidrio suele perder su planitud ya que se
somete a una temperatura de reblandecimiento y se
desplaza sobre rodillos en el horno.
La diferencia de tensiones que se generan en los vidrios
templados o termo-endurecidos térmicamente da lugar a
que el vidrio no sea isótropo. Y dicha falta de isotropía
puede observarse bajo determinadas condiciones de
iluminación. Cuando un haz de luz incide en el vidrio
templado se generan en el interior dos frentes
polarizados perpendicularmente que se propagan a
velocidades distintas (con distintos índices de
refracción) y cuya exacta disposición espacial depende
de la descripción detallada de las tensiones internas en
el vidrio.
Este fenómeno óptico se denomina
birrefringencia y los dominios de diferente
birrefringencia se pueden ver en forma de manchas o
sombras que indican las diferencias tensiones que se
han generado en el vidrio. De ahí que los técnicos traten
de evitar el vidrio templado en los acristalamientos de
los edificios.
En unidades de vidrio aislantes (UVA) las distorsiones
ópticas son debidas a varias causas [10]:
-Franjas de Brewster: cuando el paralelismo del panel
del vidrio es casi perfecto aparece una coloración de
interferencia. Cuando la fuente luminosa es el sol, los
colores varían del rojo al azul.
-Anillos de Newton: cuando las dos hojas de vidrio se
tocan o casi se tocan en el centro. El efecto óptico es
una serie de anillos coloreados concéntricos, siendo el
centro el punto donde existe el contacto o casi el
contacto entre las dos hojas. Los anillos son circulares o
elípticos.
-Deformación del vidrio debida a las variaciones de
temperatura y a la presión barométrica: las variaciones
en la cámara rellena de aire o gas y las variaciones de la
presión barométrica de la atmósfera con la altitud
conllevan la contracción y dilatación del aire y/o gas de
la cámara, que da lugar a la deformación de los paneles
provocando la distorsión de las imágenes reflejadas.
Otro tipo de patologías que se producen en la UVA y
que afectan a la visibilidad a través del vidrio son
debidas a alteraciones del desecante e inhibidor de
ultravioleta que se coloca en el interior de la cámara.
Consiste en un material termo-plástico (TPS), que es un
poli-isobutileno, rodeado de un sellante que es un
polisulfuro. El TPS sufre deformaciones que se
producen hacia el interior de la cámara afectando a la
visibilidad y que se producen por una incompatibilidad
de los productos anteriores con la silicona externa de
montaje. Las mayores deformaciones del TPS se
producen en las fachadas orientadas al sur, lo cual nos
indica que la temperatura tiene cierta influencia y
acelera la reacción química que tiene lugar en las
intercaras poli-isobutileno-polisulfuro-silicona y que
provoca el despegue del TPS del sellante.
Este tipo de patología en los cuerpos de vidrio se
produce después de pasado un tiempo de su instalación
y provoca enormes pérdidas económicas a los
fabricantes de dichas UVA dado que la sustitución de
dichas unidades ya instaladas en el edificio supone un
costo importante.
REFERENCIAS
[1]. (J.M. Fernández Navarro El Vidrio. Consejo
Superior de Investigaciones Científicas. Fundación
Centro Nacional del Vidrio. PP 294-295, Madrid 1991).
[2]. Vigil Pascual, M. El vidrio en el mundo
antiguo1966. Instituto Español de Arqueología CSIC
1969.
[3]. Kisa, A. Das Glas im Altertume. Leipig 1908.
[4]. El vidrio en la construcción. Situación actual y
orientación de la I+D. Materiales de Construcción,
Vol.41, nº221, enero/febrero/marzo 1991.
[5] Preston, F.W.,J.Am.Ceram. Soc.,15,176 (1932)
[6]. A.A.Griffith, "Phil. Trans. Roy. Soc, Vol. A221, p.
163-197. London (1921).
[7] G.R.Irwin, "Analysis of stresses and strains near the
end of a craack traversing a plate. J. Appl.Mech. Vol.
24, nº 3, p. 361-364, 1957
[8]. Another cause for spontaneous breakage of
tempered glass-silicon particles in tensile zone.BAO
Yiwang, Mr. YANG Jianjun, Mr SHL Xinyong. Glass
Performance Days 2007. 7001-703.
[9].1.- V.F. Solinov, Glass and Ceramics. Vol.64.N0s.
5.6, 2007
[10]. Norma Europea EN 1279-1/2004. Anexo C.