En el medio: un estudio de materiales entre capas para bloques de vidrio fundido entrelazados

Nov 19, 2023

Fecha: 29 de agosto de 2022

Los conjuntos de vidrio fundido entrelazados son una solución prometedora para aplicaciones arquitectónicas de vidrio fundido que buscan una alta transparencia y una estructura reversible que permita la reutilización de los componentes de vidrio (Oikonomopoulou et al., 2018; Oikonomopoulou, 2019b). En tal sistema, es esencial un material de capa intermedia entre los elementos de vidrio, para ayudar a la distribución homogénea de la tensión y tener en cuenta las microasperezas superficiales de los elementos de vidrio. Hacia la circularidad, este material debe estar seco (y no adhesivo), permitiendo el eventual desmontaje del sistema. El trabajo experimental previo de (Aurik et al., 2018; Oikonomopoulou at al., 2019b) se ha centrado en el uso de capas intermedias de PU y PVC como candidatos adecuados; La atención de esos estudios se ha centrado únicamente en el rendimiento mecánico del material entre capas.

Esta investigación proporciona una revisión de posibles materiales candidatos adecuados para capas intermedias de un conjunto de vidrio fundido entrelazado basado en un conjunto de criterios revisados ​​de diseño y rendimiento que se dividen en primarios y secundarios. Además, se examina el impacto que tienen las propiedades únicas de sus materiales en la posible aplicación del sistema de enclavamiento. Todo el proceso, desde la fabricación hasta la construcción de todo el conjunto, basándose en un supuesto escenario de construcción, se presenta en forma de reacción en cadena, cuyo punto de partida es la propia capa intermedia.

Luego de definir los criterios de diseño que debe cumplir la capa intermedia, los candidatos propuestos son: láminas de PETG (Vivak®), Neopreno, Aluminio, Poliuretano Laminado (PU) y una capa intermedia de aluminio de núcleo blando. Se consideran las propiedades únicas y los desafíos de fabricación de las cinco capas intermedias propuestas, así como sus propiedades en relación con el ensamblaje, lo que conduce al desarrollo de dos secuencias de ensamblaje distintas. La principal distinción se refiere a las capas intermedias que corren el riesgo de arrastrarse y las que no. La investigación concluye con una comparación entre el conjunto de enclavamiento y los demás conjuntos de bloques de vidrio que se aplican actualmente.

La aplicación arquitectónica de bloques de vidrio fundido está ganando popularidad lentamente, con ejemplos recientes que incluyen el pabellón Qaammat (Oikonomopoulou et al., 2022), el LightVault (Parascho et al., 2020), la Escultura Qwalala (Paech, Goppert, 2018), las Casas de Cristal (Oikonomopoulou et al., 2018), la Casa Óptica (Oshima, 2012), la Fuente de la Corona (Hannah,2009) y el memorial de Atocha (Paech, Goppert, 2008). Todos los proyectos mencionados anteriormente de conjuntos de bloques de vidrio fundido autoportantes se basan en una subestructura de soporte visible (por ejemplo, en Optical Houses, Crown Fountain) o, para un sistema menos intrusivo visualmente, en un adhesivo transparente o de color claro para unir el sólido. bloques de vidrio juntos (por ejemplo, en Atocha Memorial, Crystal Houses, Qwalala, LightVault y Qaammat Pavilion), como se muestra en la Fig. 1 y la Tabla 1.

La opción de unión adhesiva está ganando cada vez más popularidad, ya que ofrece un nivel comparativamente más alto de transparencia, al tiempo que garantiza la integridad estructural del conjunto. No obstante, el uso de adhesivo produce una estructura irreversible y dificulta aún más la reciclabilidad de los componentes de vidrio debido a la contaminación. En un esfuerzo por lograr un conjunto de bloques de vidrio fundido reversible y desmontable, que ofrezca simultáneamente un nivel competitivo de transparencia, (Oikonomopoulou et al., 2018) (Fig. 1, derecha) han introducido un novedoso sistema que emplea bloques de vidrio fundido entrelazados. El sistema, que aún está en desarrollo, presenta un conjunto de apilamiento seco, con bloques de vidrio fundido entrelazados y un material de capa intermedia (Fig.2) que distribuye uniformemente las tensiones y se adapta a las desviaciones de tamaño de los bloques individuales. La Tabla 1 resume las principales características de los tres sistemas.

Si bien se han realizado desarrollos y pruebas experimentales para optimizar la geometría del bloque de vidrio entrelazado (Jacobs, 2017; Yang, 2019; Oikonomopoulou, 2019a), aún no se ha llevado a cabo un estudio consistente sobre el material de las capas intermedias. En cambio, se dispone de datos experimentales limitados de estudios previos (Aurik, 2017; Oikonomopoulou, 2019a; Akerboom, 2016; Oikonomopoulou 2019b) que se centran principalmente en el rendimiento de fluencia de la capa intermedia elegida, en lugar de en todos los aspectos entrelazados relacionados con la eventual aplicabilidad y Montaje de la estructura de vidrio fundido.

Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo establecer criterios de diseño y rendimiento para dichas capas intermedias y explorar posibles candidatos a materiales de capas intermedias en términos de rendimiento mecánico y capacidad de fabricación para lograr la forma entrelazada deseada. Además, se examina en qué medida el material de la capa intermedia afecta los detalles y el ensamblaje de la estructura de bloques de vidrio fundido entrelazados. El estudio da como resultado una hoja de ruta que puede ayudar en la selección del material entre capas más adecuado, dependiendo de los respectivos criterios de diseño de futuros diseños.

Tabla 1: Principios de diseño de los diferentes sistemas estructurales que emplean componentes de vidrio fundido derivados de (Oikonomopoulou, 2019b)

La investigación comienza con una breve revisión de estudios relevantes, para determinar los criterios de diseño y desempeño para la selección del material entre capas. A continuación se realiza un estudio de materiales, en el que se especifican varios candidatos prometedores para capas intermedias en función de los criterios y propiedades establecidos, según lo verificado por el software CES Edupack y fuentes bibliográficas relevantes. Además de las propiedades y el rendimiento del material, se examinan los métodos de fabricación y los desafíos de cada candidato a capa intermedia. Una vez definidas las capas intermedias propuestas, se presenta el ensamblaje y los detalles de la estructura de bloques de vidrio fundido entrelazados, basándose en un escenario de construcción supuesto que utiliza un marco metálico periférico.

El bloque de vidrio fundido entrelazado empleado se basa en gran medida en los estudios de (Jacobs,2017; Yang, 2019; Oikonomopoulou, 2019b), y tiene la forma que se muestra en la figura 3 a continuación, desarrollada por (Jacobs,2017). Se examinan los diferentes requisitos de detalle y construcción que surgen dependiendo de la selección del material de la capa intermedia. Los hallazgos del estudio se resumen en una hoja de ruta, donde, dependiendo de los requisitos o prioridades únicos de un proyecto, se pueden identificar las capas intermedias relevantes y las consideraciones clave. Por último, se presentan aspectos potenciales para el desarrollo de la investigación.

Para la investigación de un material entre capas para bloques de vidrio fundido, estudios previos desarrollaron un conjunto de criterios de diseño, considerando materiales compatibles con el vidrio. De hecho, los estudios previos que se presentan a continuación se centran en gran medida en los polímeros, que comúnmente se combinan con el vidrio. Los polímeros se utilizan normalmente como capas intermedias en paneles de vidrio flotado laminado, donde están sujetos principalmente a cargas dinámicas o cíclicas (viento, impacto de cuerpos duros, etc.) para su capacidad de resistencia al corte. Sin embargo, también se sabe que los polímeros presentan una resistencia a la compresión satisfactoria. Teniendo en cuenta que la capa intermedia del conjunto de bloques de vidrio entrelazados estaría sujeta principalmente a una carga de compresión uniaxial, los polímeros podrían presentar potencial para este conjunto.

Los estudios que involucran una investigación experimental de materiales entre capas para bloques de vidrio fundido incluyen (i) una columna de bloques de vidrio apilados (Akerboom, 2016), (ii) un puente de mampostería de bloques de vidrio (Aurik, 2017) y (iii) experimentos con bloques de vidrio entrelazados ( Oikonomopoulou, 2019b). La Tabla 2 presenta los criterios de diseño de las capas intermedias dentro de cada proyecto y su desempeño.

Tabla 2: Criterios de diseño y materiales entrecapas seleccionados en estudios de casos anteriores.

Los tres estudios establecieron la transparencia-translucidez como criterio principal que, en combinación con los criterios de rigidez, limitó la selección de materiales hacia los poliuretanos (PU) y el cloruro de polivinilo (PVC). La resistencia a la compresión de la capa intermedia se considera de la misma fuente (Oikonomopoulou et al., 2014) como un número representativo; sin embargo, en la práctica, este valor depende en gran medida de cada estudio de caso único; por ejemplo, los ensamblajes más altos darán como resultado mayores cargas. Para la durabilidad y las propiedades térmicas, se establecen límites comúnmente requeridos en aplicaciones arquitectónicas, que es menos probable que hayan afectado en gran medida la selección del material.

La rigidez requerida de la capa intermedia presentó la mayor variación entre los estudios. En el estudio (i) (Akerboom, 2016) se sostiene que la rigidez debe ser relativamente alta para evitar la fluencia. Desafortunadamente, el único experimento realizado falló prematuramente debido a la configuración de la pieza del borde, por lo que los resultados con respecto a las láminas de PETG (Vivak®) no son concluyentes. En el caso (ii), se elige que el material de la capa intermedia tenga una rigidez significativamente menor que el vidrio (Aurik, 2017). Se probaron muestras de láminas de varios espesores (1-4 mm), y se concluyó que el PVC de 1 mm y el PU de 4 mm eran los más prometedores. El mismo estudio indicó que las variantes de capa intermedia más gruesas (3-4 mm) permiten una distribución más homogénea de las tensiones y una mayor rigidez de la capa intermedia.

Sin embargo, en el caso del PVC, las capas intermedias de 3 a 4 mm de espesor se deformaron visiblemente durante las pruebas. En su lugar, se eligieron capas intermedias de PVC más delgadas, después de que se demostró experimentalmente que el material dependía en gran medida del tiempo y que se producía fluencia bajo cargas estáticas. Finalmente, en el estudio (iii), la capa intermedia debe ser lo suficientemente rígida para evitar la penetración, pero lo suficientemente flexible como para permitir adaptarse a las microasperezas de los componentes de vidrio (Oikonomopoulou, 2019b). Se probaron cuatro materiales de capa intermedia diferentes con una dureza Shore entre 60-80A: PMC 746 (60A), PMC 770 (70A), Permacol 5450 (75A) y Task 16 (80A).

Todas las alternativas podrían moldearse en la geometría entre capas deseada (Fig.2). Algunas de las muestras probadas presentaron un comportamiento prometedor, aunque no se estabilizaron dentro de la duración de la prueba de 900 s, lo que indica que el rendimiento de fluencia de las capas intermedias elegidas necesitaba más investigación experimental. Los resultados también sugirieron que la resistencia al desgarro de la capa intermedia es tan importante como su dureza Shore. En particular, los conjuntos intercalados con Permacol 5450 (75A) y PMC 746 (60A) fallaron debido al desgarro temprano de la capa intermedia que provocó el contacto de vidrio con vidrio y, por lo tanto, falla debido a tensiones locales máximas.

Cuando se utilizaron capas intermedias de 3 mm de espesor de Task 16 (80A) y PMC 770 (70A), se observó que el contacto insuficiente o no homogéneo de la capa intermedia con los bloques de vidrio debido a desviaciones dimensionales de los componentes fundidos o/y al espesor insuficiente de la capa intermedia, puede conducir a la eventual falla del conjunto de bloques de vidrio incluso bajo carga estática debido a la aparición de tensiones máximas, incrementadas aún más por las fuerzas laterales impuestas por la fluencia de la capa intermedia (Oikonomopoulou, 2019b), como se muestra en la Fig. 4. .

Otra observación se refiere al diferente método de fabricación de la capa intermedia en cada caso de estudio con respecto a la geometría deseada. La geometría entrelazada de curva única del ejemplo (ii) permitió el uso de láminas de PU y PVC fácilmente disponibles en varios espesores. En cambio, la geometría entrelazada de doble curvatura de los ejemplos (i) y (iii) conduce a la selección de una lámina que se puede formar al vacío con la geometría deseada o de una capa intermedia de PU que se puede moldear en la forma deseada.

Los estudios discutidos anteriormente se centraron en establecer criterios que conduzcan a soluciones de capas intermedias personalizadas para los respectivos diseños. El objetivo de este trabajo es proporcionar una visión general de los posibles materiales entre capas basándose en un conjunto más amplio de criterios de diseño y rendimiento, así como en la facilidad de fabricación y la constructibilidad. El objetivo es proporcionar a los arquitectos e ingenieros estructurales una hoja de ruta para la selección de materiales para las capas intermedias en función de los criterios priorizados de la estructura de vidrio entrelazada diseñada. Por lo tanto, después de examinar los criterios de diseño anteriores para el material entre capas, se puede determinar un conjunto de nuevos criterios revisados.

Para garantizar que la investigación no se limite prematuramente, los criterios se dividen en primarios y secundarios. La investigación se centrará en encontrar materiales que cumplan con los criterios principales, que se consideran esenciales para la función estructural adecuada de la capa intermedia y el conjunto entrelazado. Los criterios secundarios se refieren a aspectos que no interfieren con la integridad estructural del conjunto y por tanto serán examinados con mayor flexibilidad. Los criterios establecidos se resumen en la Tabla 3. Destacados en negrita están los criterios que han cambiado o se han vuelto más dominantes en comparación con los estudios anteriores.

Tabla 3: Criterios de diseño revisados ​​para el material entre capas

4.1. Primario

Las restricciones geométricas definidas por los estudios anteriores se han mantenido sin cambios en esta investigación. El material de capa intermedia debería poder procesarse con la geometría y el espesor elegidos. La capa intermedia deberá adaptarse a las discrepancias de tamaño de los bloques individuales y lograr un contacto homogéneo, para evitar la aparición de tensiones máximas localizadas, que pueden provocar fallas del conjunto (Oikonomopoulou, 2018). La capacidad de la capa intermedia para adaptarse a las desviaciones de tamaño de los bloques individuales contribuye aún más a disminuir los costos de una estructura de vidrio fundido, ya que evade el posprocesamiento de los bloques, como en la fachada de Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. , 2017). Ejemplos realizados anteriormente sugieren desviaciones de tamaño anticipadas en altura y planitud de ±1 mm para bloques de vidrio de borosilicato (prensados ​​en molde) (Paech, Göppert, 2008) y de ± 1,5 mm para bloques de vidrio fundido de sosa-cal (molde abierto) (Oikonomopoulou et al., 2022) de un tamaño comparable a los ladrillos de terracota. Por tanto, un espesor de entre 2 y 3 mm parece ser óptimo para permitir un área de contacto constante y al mismo tiempo poder absorber las irregularidades de la superficie.

Una capa intermedia entre dos objetos entrelazados de un material frágil debe ser más dúctil que el material mismo. Sin embargo, si la capa intermedia es considerablemente menos rígida que los componentes entrelazados, se espera que se deslice; además, puede comprometer en gran medida la rigidez compuesta del conjunto. Para evitar un resultado tan adverso, se propone que la capa intermedia tenga una rigidez menor, pero comparable, a la del vidrio fundido. Debe ser lo suficientemente suave como para lograr un área de contacto homogénea con el vidrio, pero no debe poner en riesgo la estabilidad del sistema. (Wurm & Peat, 2007) habían hecho una propuesta similar: “La dureza, rigidez y durabilidad de la capa intermedia afectan el sistema del conjunto bajo carga. La capa de transferencia de carga debe combinar un módulo de elasticidad similar al del vidrio y una resistencia a la compresión lo más alta posible”. Según CES EduPack 2019 (Granta Design Limited 2019), el vidrio de borosilicato y de cal sodada tiene un módulo de Young que oscila entre 50 y 72 GPa. Dependiendo del material de la capa intermedia, en lugar del módulo de Young, puede ser más relevante considerar la dureza Shore, como se ha visto en los estudios previos de la Sección 3.2.

La resistencia a la compresión mínima de la capa intermedia se establece en un valor representativo, relevante a la carga de compresión máxima esperada (por ejemplo, debido al propio peso) de los ejemplos realizados relevantes. Según ejemplos realizados anteriormente, debido al gran espesor y, por tanto, a la gran superficie de contacto entre los bloques, las tensiones de compresión permanentes previstas que actúan sobre una estructura de bloques de vidrio debido al propio peso son normalmente considerablemente inferiores a 0,5 MPa. Por ejemplo, en la fila más baja de ladrillos, las tensiones de compresión permanentes que actúan sobre la fachada de Crystal Houses (12 m de altura) fueron <0,2 MPa (Oikonomopoulou et al., 2017), <0,1 MPa para la estructura Qwalala (Paech, Goppert, 2018). ) y <0,15 MPa para el Pabellón Qaammat (Oikonomopoulou et al., 2022). Por lo tanto, el requisito de una resistencia a la compresión >2 MPa debería poder satisfacer la mayoría de los conjuntos de bloques de vidrio fundido.

Uno de los principales desafíos a los que tuvieron que enfrentarse los estudios anteriores fue la fluencia de los materiales entre capas elegidos. La fluencia puede resultar en una deformación permanente, debido a la aplicación prolongada de tensión (McKeen, 2015). Aunque la mayoría de los materiales poseen propiedades de fluencia, no todos las presentan a temperatura ambiente. Por ejemplo, los metales también pueden fluir, pero a temperaturas significativamente altas, por lo que a temperatura ambiente su comportamiento de fluencia puede considerarse constante. Sin embargo, para otros materiales como los plásticos, que son viscoelásticos (con propiedades sólidas y líquidas), la fluencia es evidente incluso a temperatura ambiente. En este diseño, la capa intermedia está sujeta a fluencia por compresión, lo que será más preocupante en ciertos tipos de materiales que en otros, según la temperatura de servicio definida (Oikonomopoulou, 2019b) y (Aurik, 2017).

La resistencia al desgarro de la capa intermedia afecta el rendimiento del conjunto, por lo tanto, si bien este criterio no es crítico para todos los materiales (los metales no corren riesgo de desgarrarse), se incluirá como criterio principal para las familias de materiales afectadas. El valor límite se toma de los resultados experimentales de (Oikonomopoulou, 2019b).

4.2. Secundario

Para los criterios secundarios, se definen propiedades que no están relacionadas con el desempeño estructural.

El objetivo inicial, que condujo al desarrollo de un sistema de bloques de vidrio fundido entrelazados, era obtener un conjunto reciclable-reutilizable de pila seca. Aunque la reciclabilidad del vidrio es el objetivo principal, lo ideal es que el material entre capas también sea reciclable o reutilizable.

No se consideran necesarios materiales entrecapas transparentes o translúcidos, ya que podrían limitar prematuramente el proceso de búsqueda. La contribución estética de la capa intermedia se tendrá en cuenta en la decisión final, pero no será un factor definitorio principal. Esto se ve respaldado además por la elección de adhesivos no transparentes para la unión de varias de las estructuras de bloques de vidrio adheridas realizadas (por ejemplo, en Qwalala Sculpture, LightVault y Qaammat Pavilion).

La capa intermedia y los bloques entrelazados son dos elementos independientes, que simplemente se superponen, por lo que no es urgente tener coeficientes de expansión térmica análogos; particularmente teniendo en cuenta la naturaleza más blanda requerida del material de la capa intermedia (que así podría adaptarse a los movimientos térmicos por deformación). Las estructuras de bloques de vidrio realizadas anteriormente utilizan bloques de vidrio de borosilicato o de cal sodada. La cal sodada tiene un coeficiente de expansión térmica más alto que el borosilicato; 9*10⁻⁶/K y 3,1-6*10⁻⁶/K en consecuencia. Es importante asegurarse de que la diferencia con el coeficiente respectivo de los materiales de las capas intermedias sea relativamente pequeña para minimizar movimientos significativos entre los elementos de la fachada.

Los criterios de durabilidad son relevantes para el montaje si se utiliza el sistema de vidrio fundido entrelazado en la fachada de un edificio. Si el conjunto se utiliza internamente, dichos criterios ya no son necesarios. Además, dependiendo del país de aplicación, los requisitos exactos pueden variar. Por lo tanto, si bien eventualmente se definirán, se prefiere no limitar prematuramente el estudio en función de la durabilidad de la capa intermedia.

Los criterios revisados, en sus respectivas categorías, se pueden ver en la Tabla 3 anterior.

Los criterios primario y secundario serán las pautas principales a lo largo del estudio del material, teniendo en cuenta también las propiedades únicas del material de cada candidato (por ejemplo, fricción). Según (Ashby et al., 2007) los materiales de ingeniería se pueden clasificar en seis amplias familias: metales, polímeros, elastómeros, cerámicas, vidrios y materiales híbridos-compuestos. Cada familia tiene ciertas características y propiedades distintas, que se verifican con la ayuda del programa CES Edupack.

Debido a que los bloques entrelazados están hechos de vidrio, un material frágil de alta rigidez, la capa intermedia no debe compartir las mismas propiedades; de lo contrario, el desafío simplemente se multiplicará entre el bloque y la capa intermedia. Como resultado, las familias de materiales de vidrio y cerámica, que comparten estas propiedades, quedan en general excluidas de los candidatos potenciales, siendo las familias restantes a revisar los metales, polímeros y elastómeros. Además, se pueden considerar materiales híbridos, que surgen de la combinación de dos o más materiales, para dar como resultado propiedades mejoradas. Casi todos los materiales naturales (hueso, madera) son híbridos (Ashby et al., 2007). De las familias de materiales, los candidatos que normalmente se combinan con vidrio o se utilizan como capas intermedias en diversas aplicaciones son el foco principal; dividido en candidatos monomateriales e híbridos. En la Tabla 4 se presenta una descripción general de los materiales considerados.

Tabla 4: Descripción general de los materiales considerados para la capa intermedia seca

5.1. Monomaterial

Polímeros

Las capas intermedias de vidrio laminado suelen ser polímeros (PVB, EVA, ionómeros). Por lo tanto, comúnmente se asocian con cargas de corte, a pesar de sus niveles satisfactorios de resistencia a la compresión. La naturaleza viscoelástica de los polímeros permite que la forma se adapte dependiendo de las fuerzas aplicadas, lo que significa que son propensos a deslizarse bajo carga estática. Los polímeros pueden moldearse mediante moldeo por inyección y suelen ser transparentes o translúcidos.

Los experimentos de (Aurik,2017) y (Oikonomopoulou,2019b) probaron PU y PVC en varios espesores, bajo una carga estática de 480 kN y 40 kN respectivamente. Si bien los candidatos PU70 y PU80 se consideraron prometedores, su deformación no se estabilizó durante los experimentos, lo que significa que eventualmente aún podría ocurrir una falla debido a la fluencia. Sin embargo, cabe mencionar que la carga estática impuesta se traduce en una tensión de compresión nominal de 11 MPa en el caso de (Aurik, 2017) y 14,2 MPa para (Oikonomopoulou, 2019b), que es considerablemente mayor que las tensiones permanentes previstas que se producirán en una estructura de ladrillos de vidrio. (Akerboom,2016) eligieron una lámina de copolímero, Vivak®, que está hecha de PETG (tereftalato de polietileno), la versión del PET modificada con glicol. Como el PETG es más rígido que el PVC y el PU, se espera que tenga un mejor rendimiento; sin embargo, los resultados sobre su resistencia a la fluencia no fueron concluyentes. En lugar de PETG, el PMMA también es un polímero termoplástico más rígido, normalmente producido en láminas, con propiedades mecánicas y capacidades de conformación similares. Debido a las muchas similitudes entre los dos materiales, sólo se considerará el PETG para este estudio.

La figura 5 presenta los tres materiales candidatos juntos. Mientras que el PVC presenta un alto rango de resistencia y factor de forma, dependiendo de la dureza Shore variable, el PU y el PETG parecen tener propiedades más consistentes.

Elastómeros

Los elastómeros, como el neopreno, la silicona y el PTFE (es decir, el teflón), a menudo se colocan en contacto con el vidrio en aplicaciones arquitectónicas, como selladores de ventanas, juntas, arandelas y acolchados, y a menudo funcionan bajo compresión a largo plazo, lo que los convierte en candidatos prometedores. En la Fig. 6 es evidente que si bien los tres materiales tienen una resistencia a la compresión análoga, el PTFE presenta el factor de forma más alto.

El neopreno es un caucho de policloropreno flexible, resistente al desgarro y producido en láminas de diversos espesores. Como requiere un mantenimiento mínimo o nulo, se prefiere el neopreno en construcciones a largo plazo, que a menudo se encuentra en accesorios de punta de vidrio que protegen los paneles de vidrio del contacto directo con la abrazadera metálica (Patterson, 2011). También se utilizó neopreno como intermediario entre los bloques de vidrio entrelazados probados y la máquina de acero (Oikonomopoulou, 2019b). Se espera que la resistencia a la compresión del neopreno sea satisfactoria y la flexibilidad del material debería permitirle adaptarse a la forma del entrelazado; sin embargo, es necesario verificar experimentalmente su comportamiento de fluencia en el espesor y la forma deseados. Si bien es posible que ya se haya realizado una prueba similar para muestras planas, la geometría de entrelazado puede afectar potencialmente el rendimiento del material, ya que la carga no es consistentemente perpendicular a la superficie entre capas, lo que requiere más investigación.

La silicona tiene una consistencia muy similar al vidrio (dióxido de silicio), lo que significa que cuando entra en contacto con el vidrio mientras se cura, se puede formar una unión muy fuerte. La eliminación de la silicona normalmente da como resultado la contaminación de la superficie del vidrio, lo que va en contra del objetivo inicial de un sistema de enclavamiento desmontable y reciclable. Aunque Dow Silicones Bélgica ha desarrollado un nuevo y prometedor producto espaciador de silicona con potencial de fácil extracción, aún no se ha probado en superficies no planas (Hayez et al., 2019). Además, las siliconas corren el riesgo de deslizarse bajo compresión. Para dar forma a la silicona se podría considerar moldear la geometría deseada o utilizar productos de láminas de silicona.

El PTFE se utiliza a menudo como arandelas para diferentes fijaciones de vidrio (es decir, fijaciones de araña, etc.). Es muy duradero, resistente a la corrosión y antiadherente. La superficie brillante, la fricción reducida y el riesgo de deslizamiento podrían ser un desafío en esta aplicación, como se ve en la columna con tallos entrelazados, y podría ser necesario lijar. En cuanto a la conformación, puede ser necesario un procedimiento complejo como el moldeo por compresión del polvo y la sinterización para la geometría, ya que el PTFE en su forma calentada no es muy flexible. El comportamiento de fluencia del PTFE también debe explorarse mediante pruebas, aunque es más susceptible a la fluencia por tracción que por compresión (DuPont, sf).

Rieles

Una de las principales ventajas de los metales es que a temperatura ambiente prácticamente no presentan fluencia. No obstante, colocar vidrio en contacto inmediato con un metal puede resultar un desafío. Cuando el vidrio está en contacto directo con el acero o el titanio, a menudo se produce la propagación de grietas. De hecho, normalmente se coloca una lámina entre las inserciones de titanio y los elementos de vidrio para distribuir las tensiones. Esto también ha sido confirmado experimentalmente para ensamblajes de vidrio fundido por (Oikonomopoulou et al., 2015): las pruebas de compresión de bloques de vidrio individuales que estaban en contacto directo con la superficie de acero de la máquina de prueba mostraron fallas tempranas en valores entre 20 y 30 MPa. , mientras que los bloques que fueron probados con madera contrachapada como intermediario alcanzaron el límite de carga de la máquina sin fallar, sugiriendo una resistencia a la compresión superior a 90 MPa.

En un experimento realizado por (Akerboom, 2016) también se observó una falla temprana debido a las tensiones máximas que ocurren entre una delgada capa intermedia de cobre y la superficie del ladrillo de vidrio. Pero esta condición no se cumple para todos los metales en contacto con el vidrio. En muchos experimentos de compresión de vidrio, que se realizan con máquinas de acero, se utiliza una capa intermedia entre el componente de vidrio y la máquina para permitir una distribución uniforme de la tensión; entre los materiales utilizados también se encuentran láminas metálicas delgadas de plomo y aluminio (Daryadel et al., 2016) (Sheikh et al., 2018), que tienen un Módulo de Young similar o inferior al del vidrio.

La propiedad definitoria de utilizar estos metales en contacto directo con el vidrio es su rigidez. Como se muestra en la Fig. 7, el acero inoxidable es mucho más rígido que otros metales y que el vidrio, mientras que el plomo y el aluminio son más dúctiles, lo que les permite tener en cuenta las microasperezas de la superficie del vidrio sin dejar de resistir la carga de compresión. La rigidez del aluminio es más comparable a la del vidrio, mientras que el plomo es más maleable y dúctil. Sin embargo, el plomo puede ser peligroso para los humanos ya que es tóxico y su uso se está restringiendo poco a poco. Además, el plomo tiene un coeficiente de expansión térmica considerablemente diferente al del vidrio, lo que resulta desalentador, ya que puede provocar movimientos considerables en la construcción resultante. En cuanto al criterio de conformación, todos los metales pueden fundirse en un molde o prensarse, por lo que no surgen dificultades al respecto.

5.2. Híbrido

Los híbridos son la combinación de múltiples materiales, como polímeros reforzados con fibras, estructuras tipo sándwich, laminados y compuestos (Ashby et al., 2007), fusionados para obtener una combinación optimizada de los materiales involucrados. Una de las principales desventajas de los materiales híbridos avanzados es el aumento de los costes de producción y la unión adicional entre las múltiples capas.

Espumas metálicas

Las espumas metálicas se utilizan a menudo como capas intermedias de paneles, ya que son livianas y tienen una mayor resistencia a la compresión. Las propiedades de estos materiales en cuanto a resistencia al impacto (Liu et al., 2014), respuesta a explosiones (Liu et al., 2012) y efectividad general (Torre, Kenny, 2000) aún están bajo exploración. Una geometría de espuma es demasiado errática para estar en contacto con un componente de vidrio, por lo que se requieren láminas lisas en las caras exteriores para evitar la fricción con la superficie del vidrio. Además, dar forma a una espuma metálica con la geometría requerida es un desafío. La mayoría de los métodos de producción de espuma metálica dan como resultado la producción de paneles planos o volúmenes básicos simétricos (cubos, cilindros, etc.). Se considerarían apropiados los métodos que utilizan moldes, como lodos de polvo metálico o fundición a la cera perdida; sin embargo, aún se espera que la propuesta sea demasiado compleja para su fabricación.

PU laminado

Una preocupación principal relacionada con los candidatos de elastómero y polímero es su tendencia a la fluencia. En los soportes de puentes se utilizan comúnmente soportes de almohadillas elastoméricas, a menudo laminadas con placas metálicas en forma de sándwich, y están sujetas a compresión a largo plazo. Las placas de metal refuerzan las capas de caucho, interfiriendo con el grado de fluencia, mejorando así la rigidez general del rodamiento. Todo el sistema está rodeado por una fina capa de caucho para proteger el metal de la corrosión (Lee, 1990).

De manera similar, para la capa intermedia, se podría intercalar una lámina metálica delgada entre dos piezas de elastómero o polímero, para crear una capa intermedia reforzada híbrida. Un proceso de este tipo aumentaría significativamente la mano de obra de fabricación de la capa intermedia; Habría que darle forma al doble número de capas intermedias de elastómero, así como a las capas intermedias metálicas. Finalmente, los tres elementos de cada capa intermedia tendrían que unirse a un objeto unificado. El método de unión más común para los dos materiales sería la aplicación de un adhesivo, ya que una unión mecánica aumentaría la complejidad y la mano de obra.

Aluminio de núcleo blando

Implementar un núcleo más blando y capas exteriores más duras podría ser más efectivo que lo contrario, ya que podría mejorar el comportamiento de las capas intermedias ante impactos y vibraciones. Un material de este tipo ya existe en el mercado: Alucobond®. El material es un sándwich compuesto formado por dos láminas de aluminio sobre un núcleo de polietileno (Kula, Ternaux, 2009). Para darle forma, Alucobond® se produce en láminas, lo que requeriría doblarlas después de la producción o moldear las piezas individuales antes de unirlas.

5.3. Descripción general y discusión

En la Fig. 8 se presentan todos los materiales discutidos, en una comparación cualitativa de su desempeño de acuerdo con los criterios de diseño revisados ​​de las capas intermedias primarias y secundarias. De los materiales discutidos, los candidatos más prometedores para capas intermedias secas consideradas son; PU, láminas de PETG (Vivak®), Aluminio Neopreno, PU Laminado y Aluminio Soft-core. Los materiales seleccionados tienen propiedades distintas, que eventualmente indicarán qué familia de materiales exhibe el rendimiento estructural más prometedor para el conjunto de vidrio entrelazado.

Debido a las pruebas, comparativamente, más extensas de polímeros en aplicaciones similares, la selección de esta familia se centrará en examinar un polímero más rígido, como el PETG, y en volver a probar la fluencia del PU bajo las tensiones de compresión permanentes anticipadas revisadas. El PU debe investigarse tanto con como sin laminación (capa intermedia híbrida), para demostrar potencialmente cuán efectiva es realmente la laminación.

De la familia de Elastómeros se habló de tres materiales: Neopreno, Silicona y PTFE. En cuanto a los criterios principales, la calificación del neopreno es ambivalente. Se necesita un prototipo físico para confirmar si puede adaptarse a la geometría requerida, y las pruebas de compresión bajo carga estática son esenciales para investigar hasta qué punto los materiales se deforman. La silicona suele contaminar la superficie del vidrio, lo que la hace no reciclable. Aunque existen productos potenciales que podrían superar este problema, como todavía están en desarrollo, se descarta la candidata a capa intermedia de silicona. El PTFE requeriría una manipulación extrema durante la fabricación para lograr la geometría deseada, lo que se reflejaría en el coste total. Además, debido a la reducción de la fricción, es posible que sea necesario un procesamiento posterior adicional para el lijado para evitar las microrrotaciones de los bloques de vidrio.

Para la familia de metales, tanto el aluminio como el plomo ocupan un lugar destacado en los criterios principales. Sin embargo, el plomo debería descalificarse debido a sus propiedades tóxicas y su coeficiente de expansión térmica considerablemente mayor. Además, debido a la alta densidad del plomo, la carga añadida a la estructura sobrecargaría el conjunto sin ningún motivo. Por tanto, el aluminio es el candidato más prometedor de esta familia de materiales.

Finalmente, en caso de que una solución monomaterial no pueda cumplir con los requisitos de la estructura, se podría considerar una propuesta híbrida. La mayor desventaja de utilizar una capa intermedia híbrida es el mayor coste que será necesario para el procesamiento del material. Además del aumento de las capas a las que hay que dar forma, también es preocupante su unión y es necesario examinarla más a fondo. El sándwich con núcleo de espuma metálica requiere un tratamiento adicional para los bordes del composite, de lo contrario el agua podría pasar a través de ellos. De los tres, el prototipo de soporte del puente tiene el mayor riesgo de fluencia, considerando que es incierto hasta qué punto la laminación interna mejorará el rendimiento general de fluencia de las capas intermedias. El aluminio de núcleo blando, aunque pueda parecer el más prometedor, debería probarse sólo si falla la capa intermedia de aluminio monomaterial. En general, la solución híbrida que se elegirá se considerará después de las indicaciones de las capas intermedias monomateriales, ya que son combinaciones de ellas.

En conclusión, para obtener la mayor información posible de las pruebas experimentales, lo ideal sería ensayar materiales de diferentes familias bajo carga estática en muestras planas y perfiladas para evaluar su comportamiento de fluencia. En la Fig. 8 se destacan los materiales elegidos para la investigación: PU (con y sin laminación), PETG (Vivak), Neopreno, Aluminio y Aluminio de núcleo blando.

5.4. Fabricación

Se presenta el proceso de fabricación industrial para formar cada candidato a capa intermedia en el tamaño y forma deseados. En la Tabla 5 se presenta colectivamente la información requerida para la fabricación de todos los candidatos a capas intermedias. Los espesores de las capas intermedias varían mucho, desde el aluminio más delgado de 1 mm hasta el laminado más grueso de 5 mm. El neopreno requiere el menor procesamiento, el PETG es el único candidato que necesita posprocesamiento y las técnicas combinadas requeridas para las capas intermedias híbridas presentan la mayor complejidad. Específicamente:

Tabla 5: Detalles de fabricación de candidatos a capas intermedias

Aunque el PETG se considera apropiado para el corte por láser, las sierras y fresadoras se adoptan más ampliamente para cortar el material. Para dar forma, las láminas Vivak® ofrecen propiedades de termoformado superiores. Los procesos más utilizados son el conformado al vacío, el conformado por soplado libre y el doblado en línea, entre los cuales el conformado al vacío se considera el método más adecuado para la geometría deseada. Como la superficie brillante de PETG (Vivak®) podría aumentar las imperfecciones de contacto debido a microrrotaciones durante el montaje, el material debe lijarse previamente para aumentar la fricción entre la capa intermedia y los bloques de vidrio (Akerboom, 2016). Las láminas se podrían lijar utilizando técnicas de lijado en húmedo. En estudios anteriores, el espesor elegido fue de 2 mm (Akerboom, 2016) (Barou, 2016), para permitir cierta fluencia potencial sin riesgo de contacto entre vidrio.

El neopreno se produce en láminas, que normalmente se cortan industrialmente mediante troquelado o corte por láser. Una vez cortadas al tamaño deseado, las muestras planas se pueden transferir al sitio y el material se adaptará a la forma simplemente mediante compresión. Teniendo en cuenta que las láminas de neopreno más gruesas tienden a ser más rígidas, las muestras de más de 3 mm de espesor no se consideran alternativas apropiadas, ya que no se adaptarán bien a la compleja geometría de doble curvatura entrelazada y comprometerán la rigidez total del conjunto. Además, debido a que el material es propenso a deformarse, no se recomienda un espesor inferior a 2 mm.

Para dar forma al aluminio, existen varios métodos de conformado en frío y en caliente (Zheng et al., 2018). Teniendo en cuenta que la precisión dimensional es importante y que la geometría no es demasiado compleja, probablemente sea preferible el conformado en frío. El hidroconformado de láminas podría ser una opción, lo que resulta en menos abrasiones, mejores acabados y requiere solo una pieza de molde. De lo contrario, se podría utilizar el estampado en frío, que es más rápido en producción, pero requiere un molde tanto macho como hembra para la prensa. Como no hay riesgo de fluencia, el espesor puede ser menor que el de una capa intermedia de neopreno o PETG, pero no tan delgado como para tener en cuenta las microasperezas del bloque de vidrio, por lo que se propone un mínimo de 2 mm.

La forma de esta capa intermedia se examinará tanto con un adhesivo como con una unión mecánica. Normalmente, en dichos compuestos se prefiere una unión adhesiva para garantizar un rendimiento coherente en toda la superficie. Primero se les daría forma a las tres capas por separado; aluminio como se discutió anteriormente y PU mediante moldeo por inyección, como se hizo en experimentos anteriores (Oikonomopoulou, 2019a). Luego, para asegurar una adhesión consistente, el aluminio moldeado debe prepararse adecuadamente; desengrasar el metal, chorrear con rejilla abrasiva y aplicar la imprimación química son algunos de los pasos principales, como lo describe (Gallagher Corporation, 2017).

Sin embargo, el uso de un adhesivo significa que la capa intermedia no se puede reciclar, por lo que también se examina una unión alternativa reversible. Si se produce una muestra plana y luego se presiona hasta darle la forma deseada, el PU corre el riesgo de deslizarse en el proceso, lo que resulta en un espesor inconsistente. En cambio, las tres capas deben unirse con la capa de aluminio durante o después del conformado del PU. El PU podría potencialmente fundirse en un molde que ya contiene una capa de aluminio perforada y con forma, para que el material se vierta a través de los agujeros y encierre el aluminio, dando como resultado un objeto unificado. Si el aluminio se trata adecuadamente, el PU no se adherirá al aluminio, lo que permitirá separar y reciclar las capas. Este proceso no aumenta significativamente la mano de obra requerida, ya que no se necesitan piezas adicionales y en cualquier caso se utilizaría un molde para fundir el PU.

Con base en los resultados de (Aurik, 2017) y (Oikonomopoulou, 2019), se sugieren capas de PU de 2 mm de espesor, de modo que el espesor agregado de PU sea igual al espesor de mejor rendimiento. En el medio se puede colocar una lámina de aluminio de 1 mm, lo que significa que el espesor total es de 5 mm.

Ya existe en el mercado un compuesto de aluminio de núcleo blando, con el nombre de Alucobond®. El panel de polímero y la película adhesiva se extruyen en hojas separadas y se desenredan lentamente para una aplicación exitosa del adhesivo. Después de colocar la película adhesiva sobre el polímero, las capas se calientan y se laminan con aluminio. Un proceso de este tipo está diseñado para la producción de láminas planas; por lo tanto, para lograr la geometría deseada, se requeriría un conformado en prensa.

Si la capa intermedia fuera reversible, sería necesario implementar una fijación mecánica. El mecanismo debe elegirse de modo que la superficie entre capas permanezca lisa, para evitar crear tensiones máximas en puntos específicos y permitir una superficie de contacto total entre los bloques y la capa intermedia. Se podría adaptar una conexión que imite remaches al ras o broches de anillo, donde los remaches se colocan y presionan antes de darles forma, para superar el riesgo de inclinación. Si bien este proceso daría como resultado una capa intermedia reciclable, requiere la mano de obra más intensiva de las alternativas.

Con respecto al espesor de la capa intermedia, se consideraría el aluminio de núcleo blando si la capa intermedia de aluminio única fuera demasiado rígida. Como resultado, el espesor añadido de ambas láminas de aluminio debe ser igual o menor al espesor mínimo, es decir, se podrían utilizar láminas de 0,5 mm. El espesor del núcleo blando también debería ser bastante modesto, ya que un espesor mayor aumentaría el riesgo de fluencia. Se propone un espesor de 2 mm, con lo que el espesor total asciende a 3 mm.

Para investigar las consideraciones de montaje, se supone una abertura de tres pisos (9 m) en un edificio existente, con una estructura metálica periférica. Para la fachada se utilizará el conjunto de bloques de vidrio fundido entrelazados.

6.1. Escenario de detallado y ensamblaje 1: capas intermedias con riesgo de fluencia

Para la investigación, el punto de partida del detalle es una estructura de marco metálico, dentro de la cual se colocan los bloques de vidrio, asegurando así que el conjunto tenga un sistema de restricción periférica suficiente. El proceso de ensamblaje y los detalles específicos se presentan a continuación para dos escenarios diferentes, según el riesgo de fluencia de los materiales entre capas.

Para las capas intermedias propensas a deformarse, concretamente PETG (Vivak®), Neopreno y PU laminado, se requiere una precompresión de la fachada in situ. Esto se hace para evitar el asentamiento de la fachada, que inevitablemente se produciría gradualmente debido al material entre capas. En cambio, la precompresión de todo el conjunto en el sitio lleva las capas intermedias a una fase de rendimiento estructural consistente y garantiza una transferencia de carga homogénea en todo el conjunto¹. En cualquier otro caso, debido a la diferente carga muerta entre las filas inferior y superior, el espesor de la capa intermedia así como la superficie de contacto presentarían grandes variaciones. El montaje y los detalles de este escenario se presentan a continuación.

¹ Actualmente, sólo existe una estructura de bloques de vidrio de ensamblaje en seco (que emplea también una malla de varillas de acero) que requirió precompresión: la Casa Óptica en Japón. En este caso se utilizó una viga de acero prearbustada.

1. Conjunto del marco estructural principal: Inicialmente, se colocan los elementos del marco que comprenden el sistema periférico del conjunto de vidrio fundido entrelazado. Para lograr la precompresión requerida para las capas intermedias, la viga superior se coloca inicialmente en una posición más alta y luego se baja y se asegura.

2. Montaje del detalle inferior: El propósito del detalle inferior es colocar y alinear adecuadamente el conjunto autoportante. Se fijará una viga en U a la estructura principal, que actuará como riel sobre el que se deslizarán los bloques inferiores. Para evitar fundir bloques de vidrio adicionales, se moldean bloques de metal sólido para que tengan una superficie inferior plana y una cara superior entrelazada. Se prefieren varios bloques a tener un elemento base continuo, ya que la fragmentación puede ayudar a calibrar las unidades individuales con mayor precisión. Una vez colocados todos los bloques de metal sólido, se colocan capas intermedias sobre ellos, antes de colocar los bloques de vidrio, como se muestra en la Fig. 9. Para este estudio, se ha asumido que el material de los bloques inferiores es titanio, debido a su resistencia térmica comparable. coeficiente de expansión (8.4-9.4*10-6/K) y alta resistencia a la compresión (970MPa) (Granta Design Limited 2019), aunque dependiendo de la intención visual también se podrían considerar otros materiales.

3. Colocación de guías: el mecanismo de enclavamiento no es completamente estable hasta que su sistema periférico esté adecuadamente restringido. Además, aunque el mecanismo de interbloqueo garantiza la autoalineación hasta cierto punto, no puede evitar por completo la excentricidad durante la construcción, razón por la cual se necesita un sistema de guía adicional durante toda la construcción, independientemente de las propiedades del material de la capa intermedia.

4. Colocación del bloque de vidrio: para el montaje lateral se propone otra viga en U, dentro de la cual se encerrará el bloque. Para proteger los bloques de vidrio, la viga en U necesitará un material acolchado suave en el interior (Fig. 10).

Lo ideal es colocar los bloques de vidrio desde los bordes hacia el interior. De lo contrario, el último bloque que se colocará serán los bloques de borde que deberán deslizarse dentro de la viga en U lateral, lo que aumenta la complejidad (Fig. 11). Se deben colocar todas las filas excepto la última fila de bloques de vidrio.

5. Colocación del bloque superior: Al igual que en el detalle inferior, para evitar la fundición de geometrías de vidrio adicionales, para la fila superior se proponen bloques fresados ​​de titanio, que se atornillan desde arriba. La última fila de bloques de vidrio no está colocada de manera que haya suficiente espacio para conectar los bloques de titanio a la viga superior (Fig. 11). Además, la altura a la que se colocará la viga depende de la amplitud del mecanismo de enclavamiento. La viga debe colocarse de tal manera que permita a una persona colocar los últimos bloques de vidrio desde un lado. Sólo entonces se podrá bajar la viga y asegurarla en su posición definitiva. Cualquier tolerancia de fabricación que se produzca puede tenerse en cuenta mediante el reposicionamiento de la viga.

6. Colocación del bloque de vidrio:Se pueden colocar los últimos bloques de vidrio.

7. Compresión en sitio: La viga superior se puede desmontar y bajar hasta su posición definitiva. Para evitar la necesidad repetida de una grúa en el sitio, durante toda la construcción las vigas se bajan con el uso de pasamanos (Fig. 12). La nueva posición más baja garantiza la compresión adicional necesaria para adaptarse a la fluencia en las capas intermedias y estabilizar el conjunto.

6.2. Escenario de detallado y ensamblaje 2: capas intermedias sin riesgo de fluencia

Para las capas intermedias que no corren el riesgo de deslizarse, como el aluminio y el aluminio de núcleo blando, dado que existe un riesgo reducido de pandeo, se pueden optar por ensamblajes más altos. Aún se requiere una pequeña compresión en el sitio para estabilizar la estructura. Sin embargo, como la compresión es muy pequeña, las vigas se pueden ensamblar en su lugar y los bloques entrelazados llenarán el espacio intermedio. El proceso de montaje se describe paso a paso. Cuando el proceso es idéntico al del Escenario 1, sólo se proporciona un breve título.

6.3. Descripción general

Las dos secuencias de montaje diferentes, aunque en su mayor parte son muy similares, tienen algunas diferencias principales, que se derivan de la tendencia del material entre capas a deslizarse o no.

Cuando la capa intermedia no corre riesgo de deslizamiento, el proceso de montaje se facilita, porque la viga superior se puede colocar en su posición final desde el principio, mientras que, cuando existe riesgo de deslizamiento, la viga debe colocarse en una posición más alta y luego se baja para comprimir el conjunto y las capas intermedias en el sitio. Este proceso requiere equipo adicional (come-alongs) y mano de obra. Además, si una capa intermedia no se desplaza, el conjunto de interconexión puede expandirse hasta alcanzar una envoltura mayor.

Para la evaluación final del sistema de fachada con diferentes materiales entrecapas se consideraron los siguientes criterios:

Se refiere al estado en el que llega el material entrecapas a obra (plano o perfilado), así como al proceso de montaje de la fachada descrito anteriormente (con y sin necesidad de precompresión).

La facilidad de fabricación tiene que ver con la fabricación, el tamaño, la conformación y el posprocesamiento de la capa intermedia, así como con qué tan receptiva a las tolerancias es la capa intermedia. Para una capa intermedia más maleable, que pueda ajustarse y aceptar tolerancias, la precisión de la producción no es tan crítica como en una capa intermedia más dura. En esta categoría, el neopreno tiene una clara ventaja, ya que sólo requiere corte después de su producción. En el caso del aluminio, la forma deberá ser muy precisa para tener en cuenta la naturaleza más rígida del material. El PETG (Vivak®) puede requerir un posprocesamiento (lijado), mientras que la fabricación más compleja es necesaria para las capas intermedias híbridas.

Una fachada de cristal conlleva ciertas expectativas visuales, por lo que no se debe descuidar el aspecto resultante. Dependiendo de los materiales de las capas intermedias discutidos, el resultado visual puede ser: transparente, opaco y reflectante. Entre las alternativas, el único candidato que puede dar lugar a un conjunto totalmente transparente es el PETG (Vivak®), con una visión del interior casi sin obstáculos. El único candidato a capa intermedia opaca es el neopreno, en su versión blanca, donde se prevé que el resultado sea similar a la impresión visual de las estructuras unidas mediante adhesivo blanco, a saber, la Estructura Qwalala (Paech, Goppert, 2018) y el Pabellón Qaammat. (Oikonomopoulou et al., 2022). Todas las capas intermedias con aluminio tendrían una presencia visual más dominante.

Esto depende de muchos factores; los propios materiales, los procesos de conformación necesarios, el proceso de montaje, así como las fluctuaciones de la demanda del mercado. Un análisis detallado de los costos de los materiales entre capas elegidos está más allá del alcance de este trabajo. Sin embargo, se presenta un ranking general basado en el costo comparativo del material, sus procesos de fabricación y los desafíos de montaje, reconociendo que podría variar dependiendo del mercado en el momento de la construcción. Debido al aumento de mano de obra y materiales necesarios para las capas intermedias híbridas, se espera que sean las alternativas más caras. El neopreno que no requiere ningún procesamiento adicional después de su producción debería ser el menos costoso.

De los diferentes candidatos a capas intermedias, las alternativas de PETG (Vivak®) y Aluminio parecen ser las más prometedoras. Las capas intermedias híbridas, como se mencionó anteriormente, aumentan significativamente la dificultad de fabricación y el costo del ensamblaje, mientras que la capa intermedia de neopreno afecta negativamente el proceso de ensamblaje. La comparación de la Fig. 14 también incluye como referencia conjuntos de bloques de vidrio huecos convencionales, a pesar de que no tienen una función estructural. Si bien la tabla ofrece una indicación sólida de las fortalezas y debilidades que implica cada ensamblaje, se requiere una validación estructural de los materiales de las capas intermedias secas para geometrías entrelazadas para que la evaluación sea completa, como se describe en la siguiente sección.

El objetivo de esta investigación es descubrir el efecto de diferentes materiales de capas intermedias sobre el rendimiento y el potencial de construcción de un conjunto de bloques de vidrio fundido entrelazados y de ensamblaje en seco. Esta capa intermedia garantiza una distribución uniforme de la carga entre los componentes de vidrio y tiene en cuenta las microasperezas de la superficie, evitando fallas prematuras. Antes de esta investigación, se había realizado una exploración limitada sobre la materialidad de las capas intermedias, ya que el conjunto de bloques de vidrio fundido entrelazados es en sí mismo una estructura novedosa.

A través de la redefinición de los criterios de desempeño, un examen extenso de varios materiales utilizados con vidrio o como capas intermedias, limitó a los candidatos a: PETG (Vivak®), Neopreno y Aluminio, de las familias de monomateriales, y PU laminado y Soft- núcleo de aluminio como opciones de materiales híbridos. Se examinó hasta qué punto las propiedades únicas de todos los materiales afectan la fabricación, los detalles y el ensamblaje de la estructura entrelazada.

La presente investigación no concluye intencionadamente en un único material de capa intermedia adecuado. En cambio, la exploración entre diferentes familias de materiales da como resultado una guía general de los parámetros afectados durante la fabricación y construcción del conjunto de vidrio fundido entrelazado. La causa y el efecto, desde la elección del material entre capas hasta el montaje final, se ilustra en la Fig. 15. Dependiendo de la intención y la prioridad de un proyecto, se puede seguir la ruta más adecuada. Por ejemplo, si se requiere una transparencia de alto nivel, lo más probable es que el PETG (Vivak®) cumpla con el objetivo. Sin embargo, si se pretende colocar el conjunto entrelazado en una fachada extendida, se recomienda el uso de capas intermedias que no corran el riesgo de deslizarse, como el aluminio.

Por lo tanto, la Fig. 15 sirve como hoja de ruta de selección que puede guiar a los ingenieros y arquitectos sobre el material más adecuado en función de los criterios priorizados del respectivo caso de estudio.

En cuanto a la fabricación de capas intermedias, cada material dicta qué método de conformación es mejor para lograr la geometría deseada y qué espesor se debe preferir. En el caso de las capas intermedias monomateriales, los procedimientos de producción son bastante comunes, mientras que la selección de una capa intermedia híbrida daría lugar a una mayor complejidad.

Los detalles y el ensamblaje de la estructura entrelazada se ven afectados principalmente cuando se consideran los diferentes materiales de las capas intermedias. La propiedad más definitiva de las capas intermedias candidatas para esta fase es su tendencia o no a deslizarse, lo que a su vez define los requisitos de todo el conjunto. A partir de las propiedades del material se analizan dos casos distintos.

Cuando el riesgo de fluencia es evidente (PETG (Vivak®), Neopreno, PU laminado), todo el conjunto requiere una compresión adicional en obra, para evitar el asentamiento de la fachada, que inevitablemente se produciría debido al material intercalado. La compresión de la pared de bloques de vidrio en el sitio garantiza un rendimiento estructural consistente de las capas intermedias y una transferencia de carga homogénea en todo el conjunto. Para ello, la viga superior debe cambiar de posición durante la construcción, lo que requiere algún equipo adicional. Además, como estas capas intermedias son más vulnerables al pandeo, la altura máxima permitida del conjunto es limitada. Sin temor a la fluencia (aluminio, aluminio con núcleo blando), el conjunto puede expandirse, lo que da como resultado una estructura de carga más grande.

Finalmente, el resultado más obvio al cambiar el material de la capa intermedia es la apariencia del conjunto. La selección entre capas intermedias transparentes, opacas o reflectantes tiene un efecto inmediato en la forma en que el conjunto reacciona con la luz, el grado en que se acentúa la geometría entrelazada y la sensación general de la fachada.

Debido a las restricciones relacionadas con la pandemia de Covid-19, no fue posible realizar ninguna prueba estructural durante la duración de la investigación presentada. Por lo tanto, la principal recomendación después de esta investigación sería realizar pruebas experimentales relevantes, que ofrecerán una indicación de qué familia de materiales es mejor para el conjunto en particular, ya que cada familia de materiales está representada en las alternativas propuestas. Las pruebas esperadas incluirían pruebas de capas intermedias planas y conformadas del espesor final deseado bajo carga estática para fluencia, pruebas de corte fuera del plano para cargas laterales y pruebas uniaxiales de conjuntos más altos para flexión. Si bien la fluencia se consideró una propiedad material definitoria para esta investigación, la validación estructural de las capas intermedias propuestas puede revelar propiedades adicionales que afectan el ensamblaje. Teniendo en cuenta que el conjunto de enclavamiento es un sistema novedoso, todavía quedan muchos aspectos que pueden explorarse más a fondo. Las pruebas de validación recomendadas se muestran en la Fig.16.

Respecto a la asamblea, se han destacado los puntos clave y principios críticos en tal estructura. Además de las envolturas autoportantes, el conjunto de entrelazado tiene el potencial de aplicarse también a otros miembros de compresión, como columnas o arcos. La reversibilidad del sistema hace que dicho conjunto sea una propuesta prometedora también para proyectos de restauración (Barou, 2016).

Finalmente, se deben realizar investigaciones adicionales del rendimiento térmico y establecer parámetros de diseño complementarios. La naturaleza monolítica de los bloques de vidrio fundido da como resultado propiedades de aislamiento relativamente pobres y presenta un alto riesgo de condensación en la superficie.

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