En el medio: un estudio de material de capa intermedia para bloques de vidrio fundido entrelazados

Sep 05, 2023

Fecha: 29 de agosto de 2022

Los ensamblajes de vidrio fundido entrelazados son una solución prometedora para las 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 anterior de (Aurik at al., 2018; Oikonomopoulou at al., 2019b) se ha centrado en el uso de capas intermedias de PU y PVC como candidatos adecuados; el enfoque en esos estudios se ha puesto únicamente en el rendimiento mecánico del material de la capa intermedia.

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

Después de definir los criterios de diseño a los que debe adherirse la interlámina, los candidatos propuestos son: láminas de PETG (Vivak®), Neopreno, Aluminio, Poliuretano Laminado (PU) y una interlámina 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 distinción principal se refiere a las capas intermedias que corren el riesgo de arrastrarse y las que no. La investigación concluye con una comparación entre el ensamblaje de enclavamiento y los demás ensamblajes de bloques de vidrio aplicados 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), 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 visualmente menos intrusivo, 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 la unión adhesiva está ganando cada vez más popularidad, ya que ofrece un nivel de transparencia comparativamente más alto, 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 ensamblaje de bloques de vidrio fundido reversible y desmontable, que al mismo tiempo ofrece un nivel competitivo de transparencia, (Oikonomopoulou et al., 2018) ha introducido un sistema novedoso que emplea bloques de vidrio fundido entrelazados (Fig. 1, derecha). El sistema, que aún está en desarrollo, presenta un ensamblaje de pila seca, con bloques de vidrio fundido entrelazados y un material de capa intermedia (Fig. 2) que distribuye uniformemente las tensiones y acomoda las desviaciones de tamaño de los bloques individuales. La Tabla 1 resume las principales características de los tres sistemas.

Si bien ha habido desarrollo y pruebas experimentales para optimizar la propia 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 la capa intermedia. En cambio, hay datos experimentales limitados disponibles 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 entretejidos relacionados con la eventual aplicabilidad y montaje de la estructura de vidrio colado.

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

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 los estudios relevantes, para determinar los criterios de diseño y desempeño para la selección del material de la capa intermedia. A continuación, se incluye 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 de literatura relevantes. Además de las propiedades y el rendimiento del material, se examinan los métodos de fabricación y los desafíos para 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, con base en un escenario de construcción asumido que utiliza un marco de metal 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 Fig. 3 a continuación, desarrollado por (Jacobs, 2017). Se examinan los diferentes requisitos de detalle y construcción que ocurren según 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 consideraciones clave y la capa intermedia relevante. Por último, se presentan aspectos potenciales para el desarrollo de la investigación.

Para la investigación de un material de capa intermedia para bloques de vidrio fundido, estudios previos desarrollaron un conjunto de criterios de diseño, considerando materiales compatibles con el vidrio. De hecho, los estudios anteriores 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.) por 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 de capa intermedia 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 de capa intermedia 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 una mayor cargas Para la durabilidad y las propiedades térmicas, se establecen los límites comúnmente requeridos en las 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 mayoría de las variaciones entre los estudios. En el estudio (i) (Akerboom, 2016) se argumenta que la rigidez debe ser relativamente alta para evitar la fluencia. Desafortunadamente, el único experimento realizado fracasó 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), el material de la capa intermedia se elige para que 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 gruesa (3-4 mm) permiten una distribución más homogénea de las tensiones y una mayor rigidez de la capa intermedia.

Sin embargo, para el PVC, las capas intermedias de 3-4 mm de espesor se deslizaron visiblemente durante la prueba. 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 la fluencia se producía bajo cargas estáticas. Finalmente, en el estudio (iii), la capa intermedia debe ser lo suficientemente rígida para evitar la penetración, pero lo suficientemente flexible para permitir la adaptación 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 deseada de la capa intermedia (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 ensamblajes intercalados con Permacol 5450 (75A) y PMC 746 (60A) fallaron debido al desgarro temprano de la capa intermedia que condujo al contacto vidrio con vidrio y, por lo tanto, falla debido a las tensiones locales máximas.

Cuando se usaron capas intermedias de 3 mm de espesor de Tarea 16 (80A) y PMC 770 (70A), se notó que el contacto de la capa intermedia con los bloques de vidrio era insuficiente o no homogéneo debido a las desviaciones dimensionales de los componentes fundidos o/y al espesor insuficiente de los bloques de vidrio. 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 una sola curva 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 capa intermedia personalizadas para los diseños respectivos. El objetivo de este trabajo es proporcionar una descripción general de los posibles materiales entre capas en función de un conjunto más amplio de criterios de diseño y rendimiento, así como la facilidad de fabricación y la capacidad de construcción. El objetivo es proporcionar a los arquitectos e ingenieros estructurales una hoja de ruta de selección de materiales para el material de la capa intermedia basada en los criterios prioritarios de la estructura de vidrio entrelazada diseñada. Por lo tanto, habiendo examinado los criterios de diseño anteriores para el material de la capa intermedia, 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 primarios, que se consideran esenciales para el correcto funcionamiento estructural de la capa intermedia y el conjunto de enclavamiento. Los criterios secundarios se refieren a aspectos que no interfieren con la integridad estructural del conjunto y por lo tanto serán examinados con más flexibilidad. Los criterios establecidos se resumen en la Tabla 3. En negrita se destacan los criterios que han cambiado o se han vuelto más dominantes en comparación con los estudios previos.

Tabla 3: Criterios de diseño revisados ​​para material de capa intermedia

4.1. Primario

Las restricciones geométricas definidas por los estudios anteriores se han mantenido sin cambios en esta investigación. El material de la capa intermedia debe poder procesarse en la geometría y el espesor decididos. 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 conducir a la falla del ensamblaje (Oikonomopoulou, 2018). La capacidad de la capa intermedia para acomodar 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 procesamiento posterior de los bloques, como en la fachada de Crystal Houses (Oikonomopoulou et al. , 2017). Los 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 cal sodada (molde abierto) (Oikonomopoulou et al., 2022) de un tamaño comparable a los ladrillos de terracota. Por lo tanto, un grosor 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 quebradizo debe ser más dúctil que el material mismo. Sin embargo, si la capa intermedia es considerablemente menos rígida que los componentes de enclavamiento, 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 para lograr un área de contacto homogénea con el vidrio, pero no debe poner en riesgo la estabilidad del sistema. (Wurm & Peat, 2007) hizo una propuesta similar: "La dureza, la rigidez y la durabilidad de la capa intermedia afectan el sistema del ensamblaje bajo carga. La capa de transferencia de carga debe combinar un módulo de elasticidad similar al del vidrio y una resistencia a la compresión". fuerza lo más alta posible". Según CES EduPack 2019 (Granta Design Limited 2019), el vidrio de borosilicato y 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, la dureza Shore puede ser más relevante a considerar, 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 para la carga de compresión máxima esperada (por ejemplo, debido al peso propio) de ejemplos realizados relevantes. Según los ejemplos anteriores, debido al gran espesor y, por tanto, al área de contacto entre los bloques, las tensiones de compresión permanentes previstas que actúan sobre una estructura de bloques de vidrio debido al peso propio suelen ser 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 >2MPa debería ser capaz de satisfacer la mayoría de los ensamblajes de bloques de vidrio fundido.

Uno de los principales desafíos a los que tuvieron que hacer frente los estudios anteriores fue la fluencia de los materiales de capa intermedia 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 deslizarse, pero a temperaturas significativamente altas, por lo tanto, a temperatura ambiente, su comportamiento de deslizamiento puede considerarse constante. Sin embargo, para otros materiales como los plásticos, que son viscoelásticos (con propiedades de tipo sólido y líquido), la fluencia es evidente incluso a temperatura ambiente. En este diseño, la capa intermedia está sujeta a la fluencia por compresión, 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 ensamblaje, por lo tanto, aunque este criterio no es crítico para todos los materiales (los metales no corren el 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, idealmente el material de la capa intermedia también debe ser reciclable o reutilizable.

Los materiales de capa intermedia transparentes o translúcidos no se consideran necesarios, 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 reforzado 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 de enclavamiento son dos elementos independientes, simplemente superpuestos, 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 sería así capaz de adaptarse a los movimientos térmicos por deformación). Las estructuras de bloques de vidrio realizadas anteriormente utilizan vidrio de borosilicato o bloques de vidrio 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 la capa intermedia sea relativamente pequeña para minimizar el movimiento significativo 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, estos 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, bajo sus respectivas categorías, se pueden ver en la Tabla 3 anterior.

Los criterios primarios y secundarios serán las pautas principales a lo largo del estudio del material, teniendo también en cuenta las propiedades únicas del material de cada candidato (p. ej., la 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 quebradizo de alta rigidez, la capa intermedia no debe compartir las mismas propiedades, de lo contrario, el desafío se multiplicará simplemente entre el bloque y la capa intermedia. Como resultado, las familias de materiales de vidrio y cerámica, que comparten estas propiedades, se excluyen en general de los candidatos potenciales, y las familias restantes para revisar son metales, polímeros y elastómeros. Además, se pueden considerar materiales híbridos, que se producen a partir 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 típicamente combinados con vidrio o utilizados como capas intermedias en varias aplicaciones son el enfoque principal; dividida 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 son típicamente polímeros (PVB, EVA, ionómeros). Por lo tanto, se asocian comúnmente 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 según las fuerzas aplicadas, lo que significa que son propensos a deslizarse bajo carga estática. Los polímeros se pueden moldear mediante moldeo por inyección y normalmente son transparentes o translúcidos.

Los experimentos de (Aurik,2017) y (Oikonomopoulou,2019b) probaron PU y PVC en varios espesores, bajo una carga estática de 480kN y 40kN respectivamente. Si bien los candidatos PU70 y PU80 se consideraron prometedores, su deformación no se estabilizó durante los experimentos, lo que significa que eventualmente podría ocurrir una falla debido a la fluencia. Sin embargo, debe mencionarse que la carga estática impuesta se traduce en un esfuerzo de compresión nominal de 11 MPa en el caso de (Aurik, 2017) y de 14,2 MPa para (Oikonomopoulou, 2019b), que es considerablemente mayor que los esfuerzos permanentes anticipados que ocurren en una estructura de ladrillos de vidrio. (Akerboom, 2016) eligió una lámina de copolímero, Vivak®, que está hecha de PETG (tereftalato de polietileno), la versión de PET modificada con glicol. Dado que 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, solo se considerará PETG para este estudio.

La Fig. 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 almohadillas, y suelen funcionar 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 varios 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 de metal (Patterson, 2011). El neopreno también se usó como un intermedio 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 debe permitir que se adapte a la forma del enclavamiento, sin embargo, su comportamiento de fluencia en el espesor y la forma deseados debe verificarse experimentalmente. Si bien es posible que ya se haya realizado una prueba similar para muestras planas, la geometría de enclavamiento puede afectar potencialmente el rendimiento del material, ya que la carga no es consistentemente perpendicular a la superficie de la capa intermedia, lo que requiere una mayor 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 generalmente da como resultado la contaminación de la superficie de 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 producto espaciador de silicona prometedor con el potencial de una fácil extracción, aún no se ha probado en superficies no planas (Hayez et al., 2019). Además, las siliconas corren el riesgo de arrastrarse bajo la compresión. Para dar forma a la silicona, se podría considerar la fundición de la geometría deseada o el uso de productos de láminas de silicona.

El PTFE se usa 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 es posible que se requiera lijado. Con respecto a la conformación, es posible que se requiera un procedimiento complejo para la geometría, como el moldeo por compresión del polvo y la sinterización, ya que el PTFE en su forma calentada no es muy maleable. El comportamiento de fluencia del PTFE también debe explorarse mediante pruebas, aunque es más susceptible a la fluencia por tracción que a la fluencia por compresión (DuPont, sin fecha).

Rieles

Una de las principales ventajas de los metales es que a temperatura ambiente prácticamente no presentan fluencia. No obstante, poner 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 entre las inserciones de titanio y los elementos de vidrio se coloca una lámina para distribuir las tensiones. Esto ha sido confirmado experimentalmente también 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, exhibieron fallas tempranas a valores entre 20-30 MPa , mientras que los bloques que fueron ensayados 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 se producen entre una capa intermedia de cobre delgada y la superficie del ladrillo de vidrio. Pero esta condición no es cierta para todos los metales en contacto con el vidrio. En muchos experimentos de compresión de vidrio, que se realizan con máquinas de acero, se usa 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 delgadas láminas metálicas de plomo y aluminio (Daryadel et al., 2016) (Sheikh et al., 2018), las cuales tienen un Módulo de Young similar o menor que el vidrio.

La propiedad que define el uso de 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 los 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 soportar 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 lentamente. Además, el plomo tiene un coeficiente de expansión térmica considerablemente diferente en comparación con el vidrio, lo que es desalentador ya que puede provocar movimientos considerables en la construcción resultante. En cuanto al criterio de conformación, todos los metales pueden colarse en un molde o prensarse, por lo que no surgen dificultades en ese sentido.

5.2. Híbrido

Los híbridos son la combinación de múltiples materiales, como polímeros reforzados con fibra, estructuras sándwich, laminados, 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 son los mayores costos 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 ligeras y tienen una mayor resistencia a la compresión. Las propiedades de estos materiales con respecto a la resistencia al impacto (Liu et al., 2014), las respuestas a explosiones (Liu et al., 2012) y la 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 requiere láminas lisas en las caras exteriores para evitar la fricción con la superficie de vidrio. Además, la conformación de 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.). Los métodos que hacen uso de moldes se considerarían apropiados, como lodos de polvo de metal o fundición de inversión, sin embargo, todavía se espera que la propuesta sea demasiado compleja para la fabricación.

PU laminado

Una preocupación principal relacionada con los candidatos a elastómeros y polímeros es su tendencia a la fluencia. En los cojinetes de puentes, se utilizan comúnmente cojinetes de apoyo elastoméricos, a menudo laminados con placas de metal en forma de sándwich, y están sujetos a compresión a largo plazo. Las placas de metal refuerzan las capas de caucho, lo que interfiere con la medida en que puede deslizarse, mejorando así la rigidez general del rodamiento. Todo el sistema está rodeado por una fina capa de goma para proteger el metal de la corrosión (Lee, 1990).

De manera similar, para la capa intermedia, se podría intercalar una lámina de metal delgada entre dos piezas de elastómero o polímero, para crear una capa intermedia reforzada híbrida. Tal proceso aumentaría significativamente el trabajo de fabricación de la capa intermedia; habría que conformar la doble cantidad de interláminas elastoméricas, así como las interláminas metálicas. Finalmente, los tres elementos de cada capa intermedia tendrían que estar unidos 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 el trabajo.

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. Tal material 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 la conformación, Alucobond® se produce en láminas, lo que requeriría doblar la postproducción o dar forma a las piezas individuales antes de unirlas.

5.3. Resumen y discusión

En la Fig. 8 se presentan todos los materiales discutidos, en una comparación cualitativa de su desempeño de acuerdo con los criterios revisados ​​de diseño de capa intermedia primaria y secundaria. De los materiales discutidos, los candidatos más prometedores para las capas intermedias secas considerados son; PU, láminas 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 ensamblaje de vidrio entrelazado.

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

De la familia de los Elastómeros, se discutieron tres materiales: Neopreno, Silicona y PTFE. En cuanto a los criterios primarios, la clasificación del neopreno es ambivalente. Se necesita un prototipo físico para confirmar si se puede adaptar a la geometría requerida, y los ensayos de compresión bajo carga estática son esenciales para investigar en qué medida se deforma el material. La silicona, por lo general, da como resultado la contaminación de la superficie del vidrio, lo que la hace no reciclable. Aunque existen productos potenciales que podrían superar este problema, ya que todavía están en desarrollo, el candidato de la capa intermedia de silicona se descarta. El PTFE requeriría una manipulación extrema durante la fabricación para lograr la geometría deseada, lo que se reflejaría en el costo total. Además, debido a la reducción de la fricción, podría ser necesario un procesamiento posterior adicional para el lijado para evitar las microrrotaciones de los bloques de vidrio.

Para la familia Metals, tanto el aluminio como el plomo tienen un alto índice en los criterios primarios. Sin embargo, el plomo debe ser descalificado debido a sus propiedades tóxicas y su coeficiente de expansión térmica considerablemente más alto. Además, debido a la alta densidad del plomo, la carga adicional a la estructura sobrecargaría el ensamblaje sin motivo alguno. Por lo 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 usar una capa intermedia híbrida es el mayor costo que se necesitará para el procesamiento del material. Además del aumento de las capas que deben moldearse, su unión también es motivo de preocupación y debe examinarse más a fondo. El sándwich de núcleo de espuma de metal requiere un tratamiento adicional para los bordes del compuesto, de lo contrario pasará agua. De los tres, el prototipo de soporte de puente tiene el mayor riesgo de fluencia, considerando que es incierto hasta qué punto la laminación interna mejorará el rendimiento general de fluencia entre capas. El aluminio de núcleo blando, aunque puede parecer el más prometedor, debe probarse solo si falla la capa intermedia de aluminio monomaterial. En general, la solución híbrida que se elegirá se considerará después de las indicaciones de las interláminas monomateriales, ya que son combinaciones de ellas.

En conclusión, para obtener la mayor información posible de las pruebas experimentales, los materiales de diferentes familias deberían probarse idealmente bajo carga estática en muestras planas y con forma 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 Soft-core.

5.4. Fabricación

Se presenta el proceso de fabricación industrial para formar cada candidato de capa intermedia en el tamaño y la forma deseados. En la Tabla 5 se presenta colectivamente la información requerida para la fabricación de todos los candidatos de capa intermedia. Los espesores de las capas intermedias varían mucho, desde el aluminio más delgado de 1 mm hasta el laminado de 5 mm más grueso. El neopreno requiere el menor procesamiento, 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 capa intermedia

Aunque el PETG se considera apropiado para el corte por láser, las sierras y los enrutadores se utilizan más para cortar el material. Para dar forma, las láminas Vivak® ofrecen propiedades superiores de termoformado. Los procesos más utilizados son el conformado al vacío, el conformado por soplado libre y el doblado en línea, de los cuales el conformado al vacío se considera el método más adecuado para la geometría deseada. Como la superficie brillante de PETG (Vivak®) podría correr el riesgo de aumentar las imperfecciones de contacto a través de 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 pueden lijar utilizando técnicas de lijado en húmedo. En estudios anteriores, el grosor elegido fue de 2 mm (Akerboom, 2016) (Barou, 2016), para permitir cierta fluencia potencial sin riesgo de contacto vidrio con vidrio.

El neopreno se produce en láminas, que normalmente se cortan industrialmente mediante troquelado o corte por láser. Después de cortarlo al tamaño deseado, las muestras planas se pueden transferir en el sitio y el material se adaptará a la forma simplemente por 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 adecuadas, ya que no se adaptarán bien a la compleja geometría de enclavamiento de doble curva y comprometerán la rigidez total del conjunto. Además, debido a que el material es propenso a la fluencia, no se recomienda un espesor inferior a 2 mm.

Para dar forma al aluminio, existen varios métodos de formación 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 hidroformado de láminas podría ser una opción, lo que da como resultado menos abrasiones, mejores acabados y requiere solo una pieza de molde. De lo contrario, podría usarse el estampado en frío, que es más rápido en la producción, pero requiere un molde macho y hembra para la prensa. Como no hay riesgo de fluencia, el grosor puede ser menor que el de una capa intermedia de neopreno o PETG, pero no demasiado delgado para tener en cuenta las microasperezas del bloque de vidrio, por lo que se propone un mínimo de 2 mm.

La conformación de esta capa intermedia se examinará tanto con un adhesivo como con una unión mecánica. Por lo general, en tales compuestos, se prefiere una unión adhesiva para garantizar un rendimiento coherente en toda la superficie. Primero, las tres capas se moldearían 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; el desengrasado del metal, la limpieza con chorro abrasivo de la rejilla y la aplicación del imprimador químico son algunos de los pasos principales, tal 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 reversible alternativa. Si se produce una muestra plana y luego se presiona a la forma deseada, el PU corre el riesgo de deslizarse en el proceso, lo que resulta en un grosor inconsistente. En su lugar, las tres capas deben unirse con la capa de aluminio durante o después de la conformación de PU. El PU podría potencialmente colarse en un molde que ya contiene una capa de aluminio perforada con forma, para que el material se vierta a través de los agujeros y encierre el aluminio, lo que da como resultado un objeto unificado. Si el aluminio se trata correctamente, el PU no se adherirá al aluminio, lo que permitirá que las capas se separen y reciclen. Este proceso no agrega significativamente a la mano de obra requerida, ya que no se necesitan piezas adicionales, y de cualquier manera se usaría un molde para moldear el PU.

Según los resultados de (Aurik, 2017) y (Oikonomopoulou, 2019), se sugieren capas de PU de 2 mm de grosor, de modo que el grosor añadido de PU sea igual al grosor de mejor rendimiento. En medio se puede colocar una lámina de aluminio de 1 mm, por lo 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 láminas separadas y se desenredan lentamente para la aplicación exitosa del adhesivo. Después de colocar la película adhesiva sobre el polímero, las capas se calientan y laminan con el aluminio. Tal proceso está diseñado para la producción de láminas planas, por lo tanto, para lograr la geometría deseada, sería necesario el conformado en prensa.

Si la capa intermedia fuera a hacerse reversible, tendría que implementarse una fijación mecánica. El mecanismo debe elegirse de modo que la superficie de la capa intermedia permanezca suave, 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 imitara los remaches al ras o los broches de anillo, donde los remaches se colocan y presionan antes de dar forma, para superar el riesgo de sesgo. Si bien este proceso daría como resultado una capa intermedia reciclable, requiere la mano de obra más intensiva de las alternativas.

En cuanto al grosor de la capa intermedia, se consideraría el aluminio de núcleo blando si la capa intermedia de aluminio individual fuera demasiado rígida. Como resultado, el espesor agregado de ambas láminas de aluminio debe ser igual o menor al espesor mínimo, lo que significa que se pueden utilizar láminas de 0,5 mm. El grosor del núcleo blando también debería ser bastante modesto, ya que un grosor mayor aumentaría el riesgo de fluencia. Se propone un espesor de 2 mm, lo que eleva el espesor total a 3 mm.

Para investigar las consideraciones de montaje, se supone un vano de tres plantas (9m) en un edificio existente, con estructura metálica perimetral. El conjunto de bloques de vidrio fundido entrelazados se usará para la fachada.

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

Para la investigación, el punto de partida del detallado es una estructura de marco de metal, dentro de la cual se colocan los bloques de vidrio, asegurando así que el conjunto tenga un sistema de restricción de periferia suficiente. El proceso de ensamblaje y los detalles específicos se presentan a continuación para dos escenarios diferentes, en función del riesgo de deslizamiento de los materiales de la capa intermedia.

Para las capas intermedias propensas a la fluencia, a saber, PETG (Vivak®), Neopreno y PU laminado, se requiere una precompresión en el sitio de la fachada. Esto se hace para evitar el asentamiento de la fachada, que inevitablemente ocurriría gradualmente debido al material de la capa intermedia. En cambio, la compresión previa de todo el ensamblaje en el sitio lleva las capas intermedias a una fase de rendimiento estructural constante y garantiza una transferencia de carga homogénea en todo el ensamblaje¹. 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. A continuación se presenta el montaje y los detalles para este escenario.

¹ Actualmente, solo existe una estructura de bloques de vidrio de ensamblaje en seco realizada (empleando también una malla de varillas de acero) que exigió precompresión, la Casa Óptica en Japón. En este caso se utilizó una viga de acero precurvada.

1. Montaje del marco estructural principal: inicialmente se colocan los elementos de marco que componen el sistema de periferia del conjunto de encastre de vidrio fundido. Para lograr la compresión previa requerida para las capas intermedias, la viga superior se coloca inicialmente en una posición más alta y luego se bajará y asegurará.

2. Montaje del detalle inferior: el propósito del detalle inferior es colocar y alinear correctamente el conjunto autoportante. Se debe fijar una viga en U a la estructura principal, para que actúe como riel sobre el que se deslizarán los bloques inferiores. Para evitar moldear bloques de vidrio adicionales, los bloques de metal sólido se moldean para tener 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 que se colocan 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 está debidamente restringido. Además, aunque el mecanismo de enclavamiento garantiza la autoalineación hasta cierto punto, no puede evitar por completo la excentricidad durante la construcción, por lo que se necesita un sistema de guía adicional durante toda la construcción, independientemente de las propiedades del material de la capa intermedia.

4. Colocación de bloques 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 requerirá un material acolchado suave en el interior (Fig. 10).

Idealmente, los bloques de vidrio deben colocarse desde los bordes moviéndose hacia adentro. Si se hace de otra manera, el último bloque que se colocará serán los bloques de borde que deben deslizarse en la viga en U lateral, lo que aumenta la complejidad (Fig. 11). Deben colocarse todas las filas excepto la última fila de bloques de vidrio.

5. Colocación del bloque superior: De manera similar al detalle inferior, para evitar colar geometrías de vidrio adicionales, para la fila superior se proponen bloques fresados ​​de titanio, que deben atornillarse desde arriba. La última fila de bloques de vidrio no se coloca 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 el lateral. Solo entonces se puede bajar la viga y asegurarla en su posición final. Todas las tolerancias de fabricación que se produzcan pueden justificarse mediante el reposicionamiento de la viga.

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

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

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, ya que existe un riesgo reducido de pandeo, se pueden enfocar ensamblajes más altos. Todavía se requiere una compresión menor 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, solo se proporciona un breve título.

6.3. Descripción general

Las dos secuencias de ensamblaje diferentes, aunque muy similares en su mayor parte, tienen ciertas diferencias principales, que se derivan de la tendencia del material de la capa intermedia a deslizarse o no.

Cuando la entrecapa no corre el riesgo de deslizamiento, el proceso de montaje se facilita, ya que la viga superior se puede colocar en su posición final desde el principio, mientras que, cuando existe el riesgo de deslizamiento, la viga debe colocarse en una posición más alta y luego se baja para comprimir el ensamblaje 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 desliza, el conjunto de enclavamiento puede expandirse a una envoltura más grande.

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

Se refiere al estado en el que el material de la capa intermedia llega a la 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 se refiere a la fabricación, el dimensionamiento, la conformación y el posprocesamiento de la capa intermedia, así como la receptividad a las tolerancias de la capa intermedia. Para una capa intermedia más maleable, que puede 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 solo requiere ser cortado después de su producción. Para el aluminio, la conformación deberá ser muy precisa, para tener en cuenta la naturaleza más rígida del material. PETG (Vivak®), puede requerir un procesamiento posterior (lijado), mientras que la fabricación más compleja es necesaria para las capas intermedias híbridas.

Una fachada de vidrio implica ciertas expectativas visuales, por lo que la apariencia resultante no debe descartarse en general. Dependiendo de los materiales de la capa intermedia discutidos, el resultado visual puede ser: transparente, opaco y reflectante. De las alternativas, la única candidata que puede dar como resultado un ensamblaje completamente transparente es PETG (Vivak®), con la vista interior casi sin obstrucciones. El único candidato a capa intermedia opaca es el neopreno, en su versión blanca, donde se anticipa que el resultado será similar a la impresión visual de las estructuras existentes unidas con adhesivo utilizando un 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 materiales en sí, los procesos de conformación requeridos, el proceso de ensamblaje, así como las fluctuaciones de la demanda del mercado. Un análisis de costos detallado de los materiales de capa intermedia elegidos está más allá del alcance de este trabajo. Sin embargo, se presenta una clasificación general basada en el costo comparativo del material, sus procesos de fabricación y los desafíos de ensamblaje, reconociendo que podría variar según el mercado en el punto de 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 más procesamiento después de ser producido 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 los conjuntos de bloques de vidrio huecos convencionales, a pesar de que no tienen un papel 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 secos de la capa intermedia para las geometrías de enclavamiento para completar la evaluación, como se describe en la siguiente sección.

El objetivo de esta investigación es descubrir el efecto de diferentes materiales de capa intermedia en el rendimiento y el potencial de construcción de un ensamblaje en seco, ensamblaje de bloques de vidrio fundido entrelazados. Esta capa intermedia garantiza una distribución uniforme de la carga entre los componentes de vidrio y tiene en cuenta las microasperezas de la superficie, lo que evita fallas prematuras. Antes de esta investigación, se había realizado una exploración limitada con respecto a la materialidad de la capa intermedia, 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 interláminas, limitó los candidatos a: PETG (Vivak®), Neopreno y Aluminio, de las familias monomateriales, y PU Laminado y Soft- Núcleo de aluminio como opciones de materiales híbridos. Se examinó la medida en que las propiedades únicas de todos los materiales afectan la fabricación, los detalles y el ensamblaje de la estructura entrelazada.

La presente investigación intencionalmente no concluye en un solo 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 efecto desde la elección de un material de capa intermedia hasta el ensamblaje 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, entonces es más probable que PETG (Vivak®) sirva a la intención. Sin embargo, si uno tuviera la intención de tener el conjunto de enclavamiento en una fachada extendida, entonces se alentarían las capas intermedias que no corren el riesgo de arrastrarse, como el aluminio.

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

Con respecto a la fabricación de la capa intermedia, cada material dicta qué método de conformación es el mejor para lograr la geometría deseada y qué espesor se debe preferir. En el caso de interláminas de un solo material, los procedimientos de producción son bastante comunes, mientras que la selección de una interlámina híbrida resultaría en una mayor complejidad.

Los detalles y el ensamblaje de la estructura entrelazada se ven afectados principalmente cuando se consideran los diferentes materiales de la capa intermedia. La propiedad más definitiva de las interláminas candidatas a esta fase, es su tendencia o no a la fluencia, lo que a su vez define los requerimientos de todo el conjunto. En base a 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 evadir el asentamiento de la fachada, que inevitablemente se produciría debido al material interlaminar. La compresión de la pared de bloques de vidrio en el sitio garantiza un rendimiento estructural constante de las capas intermedias y una transferencia de carga homogénea en todo el conjunto. Para hacerlo, la viga superior debe cambiar de posición durante la construcción, lo que requiere equipo adicional. Además, como estas capas intermedias son más vulnerables al pandeo, la altura máxima permitida del conjunto está limitada. Sin temor a la fluencia (aluminio, aluminio de núcleo blando), el ensamblaje puede expandirse, lo que da como resultado una estructura de carga más grande.

Finalmente, el resultado más obvio de cambiar el material de la capa intermedia es la apariencia del ensamblaje. La selección entre capas intermedias transparentes, opacas o reflectantes tiene un efecto inmediato en la forma en que el ensamblaje 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 tras esta investigación sería realizar las pruebas experimentales pertinentes, que ofrecerán una indicación de qué familia de materiales es la más adecuada para el ensamblaje 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 ensamblajes más altos para flexión. Si bien la fluencia se consideró una propiedad definitoria del material para esta investigación, la validación estructural de las capas intermedias propuestas puede revelar propiedades adicionales que afectan el ensamblaje. Teniendo en cuenta que el ensamblaje de enclavamiento es un sistema novedoso, todavía hay muchos aspectos que pueden explorarse más a fondo. Las pruebas de validación recomendadas se muestran en la Fig. 16.

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

Finalmente, debe llevarse a cabo una investigación adicional del rendimiento térmico y establecerse como 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 superficial.

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