El lobby de la Torre Iberdrola

La Torre Iberdrola, situada en el centro de la ciudad de Bilbao mide, 165 metros de altura y presenta una sección en forma de un triángulo isósceles con los lados ligeramente curvos. El edificio, diseñado por los arquitectos Pelli-Clarke-Pelli, alberga un vestíbulo de entrada enorme cerrado íntegramente por un pabellón de vidrio estructural.

La superficie compleja de la fachada se construye a partir de unidades de vidrio aislante curvo instalado con distintas inclinaciones. El soporte estructural de la fachada consiste en cartelas de acero y vidrio de hasta 17 metros de altura con un canto de 0,5 metros separadas entre sí 1 metro a lo largo de la fachada. La parte superior de la viga mixta vuela 5 metros sobre la línea de cubierta. El diseño de estos elementos estructurales se desarrolló en estrecha colaboración con los arquitectos y la sección de ingeniería de fachadas de Buro Happold. La solución finalmente adoptada utiliza una estructura compuesta formada por alas de acero atornilladas a un alma de vidrio.

El peso de la fachada es transferido a la base de las cartelas mientras que les cargas laterales de viento son transferidas a la estructura metálica tridimensional de cubierta y al suelo. La estructura de cubierta, de sección trapezoidal, consiste en una celosía de acero afilada diseñada con perfiles tubulares de sección circular de acero S355 con diámetros entre Ø 323.9 y Ø 139.7 mm. Esta estructura espacial esta soportada en uno de los extremos por la estructura principal de la torre y a 23 metros por dos columnas que definen la entrada principal del edificio. A partir de este punto la celosía se extiende en un voladizo de 15 metros para formar el pabellón de entrada. El cerramiento de la cubierta está compuesto per un lucernario y una zona opaca revestida con paneles compuestos de zinc.

La tendencia arquitectónica hacia la ligereza y la esbeltez conduce al uso del vidrio como único elemento estructural o en combinación con otros materiales más tenaces. Teniendo en consideración su naturaleza frágil son necesarios análisis muy complejos y múltiples ensayos para el correcto dimensionamiento de un elemento estructural, incluyendo estudios de comportamiento post-ruptura.

La cartela de vidrio utiliza una sección mixta construida por dos alas, obtenidas a partir de una geometría circular sólida de 120 mm de diámetro y acero S355, conectadas a un alma de vidrio laminado y templado mediante una unión por fricción. La presión se consigue mediante el uso de tornillos M20 de alta resistencia pretensados (fig.1 y fig.2), instalados cada 300 mm a lo largo de la viga mixta. La solución estructural se inspira en las vigas de alma llena: las alas de acero transfieren fuerzas de tracción y compresión mientras que el alma de vidrio transfiere las fuerzas cortantes.

Fig. 1. Sección horizontal de la viga mixta acero-vidrio con la fijación de los vidrios curvos de fachada.

Fig. 2. Vista lateral de las carteras instaladas.

La magnitud de las tensiones que puede resistir la unión a fricción depende directamente de la presión de contacto y del material de interface entre les superficies. Por consiguiente, es necesario un coeficiente de fricción elevado del material separador a fin de transferir de forma eficaz las tensiones a compresión y tracción debidas a la flexión.

Desde un punto de vista estético el diseño debía evitar el uso de juntas metálicas entre paneles de vidrio y la solución adoptada permitía un alma enteramente de vidrio extra-claro.

Para la laminación del vidrio templado extra-claro se escogió la lámina de Kuraray SentryGlas (SG) principalmente por su gran transparencia, su contribución a la estabilidad en caso de rotura de los vidrios y la ausencia de deslaminación de los bordes expuestos al ambiente exterior. No obstante, el comportamiento a fluencia de la lámina ionoplástica comportaba la relajación de la pretensión de los tornillos de alta resistencia. Por este motivo se remplaza la lámina en las áreas de transmisión de carga por un material más rígido y estable dimensionalmente bajo carga permanente. Desde el punto de vista estructural, el comportamiento post-ruptura en caso de fractura de los dos componentes de vidrio del laminado era un aspecto de especial preocupación por lo que las áreas exentas de lámina SG se optimizaron al mínimo diámetro posible. (fig.3).

Fig.3. Detalle de los insertos de material compuesto de alto coeficiente de fricción y baja fluencia en las zonas de apriete de los tornillos.

El comportamiento estructural de la cartela de vidrio resultó muy satisfactorio frente a las cargas de viento más significativas, obtenidas por ensayo en túnel de viento. La deformación obtenida fue de 5 mm. Este valor es totalmente admisible para una luz entre apoyos de 12,4 metros. En cuanto a tensiones, se observó que los elementos de acero no estaban muy solicitados mientras que los elementos de vidrio soportaban tensiones de hasta 32 MPa.

Para valorar el comportamiento post-ruptura se consideró el colapso de un panel de vidrio. La figura 4 muestra las deformaciones globales en ambas hipótesis. La cartela experimentó un cambio brusco de la geometría de los perfiles dentro de los límites máximos admisibles. Los desplazamientos en la zona central de la cartela de vidrio se incrementaron aproximadamente un 70%. La contribución de los cordones de acero de la viga cuasi se duplicó, aunque permaneciendo inferior al 100%, mientras que las tensiones resultantes en la parte de vidrio aumentaron considerablemente sin sobrepasar la tensión máxima permitida.

Fig.4. Deformaciones pre y post-ruptura del vidrio en una cartela.

Teniendo en cuenta que la capacidad de carga de un elemento esbelto depende también de su estabilidad local y global, se realizaron modelos de pandeo estructural mediante simulaciones no lineales por elementos finitos. A fin de impedir el pandeo lateral cuando la cartela está sujeta a succiones máximas de viento, la conexión inferior se diseñó como un soporte tipo horquilla fabricada a partir de pletinas de acero mientras que la conexión superior se estabilizó lateralmente mediante un par de varillas de acero inoxidable. Por otro lado, se verificó que las cargas verticales procedentes de la fachada no podían inducir pandeo por compresión de la cartela en ninguna de las hipótesis de carga.

A fin de seleccionar el material apropiado para el elemento separador entre vidrios en la zona de las uniones, el coeficiente estático de fricción debía ser medido mediante ensayos. Siguiendo los principios de la norma ASTMD 1894 [3] antes de realizar los ensayos las cinco probetas fueron condicionadas durante 48 horas a 23 °C ±2 °C, con una humedad relativa del 50% ±5%. También el espécimen de ensayo y la base del vidrio se mantuvieron en contacto durante un mínimo de 30 minutos (fig.5).

Fig.5. Dispositivo utilizado para la determinación del coeficiente de fricción estática del material elastómero.

La junta a fricción compuesta por fibra de vidrio, lana de roca, resina de fenol modificada y goma mostró los mejores resultados. El coeficiente de fricción estático resultante fue de 0,32.

Para evaluar el comportamiento a largo plazo del elastómero escogido se realizaron ensayos de fluencia a fin de obtener la pérdida de pretensión del tornillo con el tiempo y poder verificar la resistencia máxima a cortante de la conexión a partir de los valores reales de pretensión reducida.

Para este propósito se instalaron galgas extensométricas en el tornillo de alta resistencia conectadas a un circuito en medio puente con una galga activa y una galga de compensación. Se aplicó la fuerza de pretensión en el tornillo de 170 kN y se condicionó en ensayo a una temperatura de 25 °C en cámara climática durante 190 horas.

Se observó una curva de fluencia exponencial con un descenso de la fuerza de pretensión de un 3,2%. A continuación, se elevó la temperatura de la cámara hasta la temperatura máxima de servicio de la cartela considerada a 60 °C, durante 65 horas midiendo una reducción de la fuerza de pretensión hasta 157 kN (fig. 6).

Fig.6. Variación de la fuerza de pretensión con la temperatura y el tiempo.

A fin de evaluar el comportamiento de la cartela mixta y validar las simulaciones numéricas se realizaron ensayos a flexión de 4 puntos y de 3 puntos sobre modelos a escala natural de 4 metros de luz.

Los ensayos eran monitorizados con el control de la tensión y la deformación sobre las partes metálicas y el vidrio mediante galgas extensométricas y transductores de desplazamiento.

La cartela demostró un comportamiento substancialmente lineal bajo la carga de ensayo y las deformaciones unitarias y los desplazamientos concordaron con los previstos en el modelo de cálculo.

La carga de ruptura obtenida en el ensayo de flexión a 4 puntos (fig.7) fue considerablemente más alta que la carga de diseño en estado límite último. Se aplicaron 212 kN que superaron los 80 kN previstos en el proyecto.

La rotura del vidrio apareció entre los soportes y el punto de aplicación de las cargas puntuales, zona donde aparecen los esfuerzos cortantes. Es de destacar la resistencia residual de la cartela de 130 kN y la total estabilidad post-fractura asegurando una seguridad del diseño muy satisfactoria.

En el espécimen sometido a ensayo de flexión de 3 puntos se dejó una junta abierta de 8 mm entre vidrios como la que existe entre las piezas que conforman la cartela.

Los resultados midieron una resistencia última de 170 kN muy superior al estado límite último fijada en 60 kN. La viga también cumplió con los requerimientos de estabilidad post-ruptura presentando una resistencia residual de 105 kN.

Fig. 7.1. Esquema del ensayo a flexión de cuatro puntos.

Fig. 7.2. Ensayo monitorizado de un prototipo de la cartela a flexión de 4 puntos.

Finalmente se ensayó en ELU satisfactoriamente la resistencia de la conexión del tramo en voladizo de la cartela y la unión mecánica intermedia de los perfiles metálicos.

Uno de los principales retos en cuanto a la fabricación del vidrio laminado era prevenir la formación de burbujas durante el proceso de laminación en autoclave debido a la presencia de elementos discontinuos cada 300 mm fabricados con un material distinto a la lámina SG.

Se investigaron distintos materiales y se ajustaron mediante multitud de pruebas el espesor de los insertos, así como los parámetros de laminación con muestras a escala real para su inspección y ensayo.

Finalmente se consiguieron resultados excelentes con los insertos de material compuesto de espesor 1,2 ± 0,02 mm con una geometría anular y superficies pulidas.

Los ensayos de compatibilidad química entre el compuesto y el SG dieron luz verde a su laminación.

Dado el carácter frágil del vidrio y las elevadas fuerzas transmitidas por el gran número de uniones pretensadas a lo largo de la cartela se descubrió que era clave evitar cualquier irregularidad minúscula que fuera un posible origen de concentración de tensiones en la superficie del vidrio, en especial en las proximidades de los tornillos.

Con la experiencia adquirida durante la fabricación de prototipos se determinó el cuadro de tolerancias de fabricación a controlar de forma estricta durante la fabricación que se listan a continuación (fig.8).

A. Tolerancia de rectitud del perfil de acero 1 mm/1000 mm y tolerancia de planimetria de la cara del perfil de 0,10 mm/300 mm.

B. Tolerancia de torsión del perfil de 0,05 mm/longitud total.

C. Valores máximos admisibles de combadura total y local del vidrio de 0,0015 mm/mm y 0,3 mm/300 mm respectivamente medidos según la normativa UNE-EN 12150-1.

D. Decalaje máximo entre componentes del laminado, 2 mm.

E. Tolerancia espesor inserto de ±0,02 mm.

F. Tolerancia de concentricidad entre diámetros de intercalario ionoplástico y taladro del inserto en el laminado de ±2 mm.

G. Eliminación de las irregularidades de hasta 0,015 mm en la superficie pintada del perfil.

H. Planimetría en la superficie de la unión mecánica intermedia entre perfiles de ±0,5 mm.

I. Tolerancia pretensión de kN.

J. Se ha de conseguir un acabado extremadamente pulcro en las zonas de contacto.

Fig.8. Tolerancias de fabricación y factores de producción que afectan al estado tensional del vidrio.

Dada la complejidad y la imposibilidad de automatización de los procesos resultó esencial preparar un manual de fabricación y control de calidad estrictos para todas las partes involucradas en el proceso de fabricación.

La cartela ensamblada se mantenía a continuación a una temperatura de 30 °C durante 12 horas y seguidamente a 60 °C durante 4 horas mediante lámparas de infrarrojos a fin de acelerar la deformación de fluencia de la lámina ionoplástica (fig.9).

Fig.9. Condicionamiento de la cartela mediante lámparas de infrarrojos.

El cerramiento de las dos fachadas de altura variable, inclinadas y curvadas del vestíbulo de entrada consiste en 1876 m² de vidrio aislante de dimensiones aproximadas 3500 x 1000 mm, compuesto por dos paneles de vidrio laminado termoendurecidos, curvado en frío en obra desplazando un vértice del volumen a temperatura ambiente un máximo de 44 mm.

Los lados cortos de la placa se sujetan sobre un travesaño y se fijan mediante tapetas presoras de aluminio mientras que los lados largos se fijan a la cartela de vidrio mediante grapas ocultas en el sellado estructural (fig.10).

Fig.10. Geometría con el vidrio curvado en frío.

La geometría de los lados largos después del curvado es helicoidal y por tanto el perfil de aluminio fijado al ala circular de acero de la viga mixta sigue este helicoide para garantizar el correcto apoyo longitudinal del vidrio aislante.

Mediante un análisis por elementos finitos dinámico y transitorio con el software ANSYS se determinaron las tensiones debidas al proceso de curvado en frío. Se consideró la naturaleza viscoelástica del PVB, que hace que sus propiedades varíen en función de la temperatura y la duración de la carga, mediante el modelo generalizado de Maxwell de relajación. Con los datos disponibles a través del fabricante de la lámina se puede obtener el módulo de rigidez a cortante a cualquier temperatura y duración de carga por medio de una función shift (William-Landel_Ferry).

Inmediatamente después de la flexión el laminado se comporta monolíticamente ya que el PVB es capaz de transferir el cortante. La tensión principal máxima obtenida es de 4,4 MPa y la figura 12a muestra la distribución de tensiones en el panel a los 3 segundos de haber desplazado el vértice superior 44 mm.

En la figura 12b se muestra la misma distribución después de haber transcurrido 1 año del curvado en frío habiéndose reducido los valores de tensión a la mitad de los iniciales.

Fig.11. Fachada de lobby con el vidrio curvado en frío.

Fig.12. a, b, c. Distribución de tensiones principales máximas a los 3 s del curvado a 20 °C, pasado 1 año y a 40 °C con las cargas de viento y cargas climáticas (MPa).

En la figura 12c se añaden las cargas de viento de 3,5 kPa y las climáticas al estadio anterior.

Los resultados obtenidos demuestran que la contribución del curvado en frío al estado tensional global no es crítico.

Una de les principales preocupaciones del vidrio curvado en frío era el mantenimiento de la adhesión al PIB y la silicona estructural, o sea, el mantenimiento de la hermeticidad de la cámara de aire.

A tal efecto se construyeron 10 probetas sometidas a un curvado en frío con el doble de la curvatura de los vidrios reales y se sometieron a los ensayos de envejecimiento según la normativa EN 1279-2 [4] obteniéndose un índice promedio de penetración de humedad de 0,11±0,02, inferior al valor límite de 0,20.

Sobre un prototipo a escala real con todos los perfiles, accesorios, juntas, chapas y demás componentes finales de la construcción se realizó una inspección visual para valorar la calidad de los acabados y seguidamente se sometió a la batería de ensayos normativos según la normativa UNE-EN 13830 [5] para probar la conformidad del producto.

La secuencia de los ensayos incluyó:

• Medida de la permeabilidad al aire con una presión de hasta 600 Pa.
• Ensayo de estanqueidad al agua con una presión estática de hasta a 600 Pa (fig.13).
• Resistencia a la carga de viento en ELS (fig.14).
• Ensayo de permeabilidad al aire. Repetición.
• Ensayo de estanqueidad al agua con una presión estática de hasta a 600 Pa. Repetición.
• Ensayo de estanqueidad al agua con una presión dinámica de 600 Pa.
• Resistencia a la carga de viento a una presión igual a 1,5 veces la presión de diseño.
• Ensayo de resistencia al peso propio.
• Ensayo de impacto. (fig.15)
• Los resultados demostraron la conformidad con las exigencias normativas.

Fig.13. Ensayo de estanqueidad al agua.

Fig.14. Ensayo de resistencia al viento y medida de las deformaciones.

Fig.15. Ensayo de impacto.

Más allá de la singularidad geométrica, la fachada del lobby de la Torre Iberdrola se caracteriza por su gran transparencia y ligereza. Los avances tecnológicos relativos al conocimiento del vidrio y su utilización como elemento estructural permiten diseños estructurales eficientes y esbeltos como en el caso de las vigas mixtas de acero y vidrio. No obstante, estos elementos exigen una atención especial y una sólida experiencia en el diseño de conexiones.

La realización de ensayos en las distintas fases del proyecto para validar los modelos, así como mantener la redundancia estructural necesaria son factores clave para la seguridad de estas construcciones.

Referencias

[1] ASTM E 1300-02 Standard Practice for determining Load Resistance of Glass in Buildings, 2002.

[2] The Institution of Structural Engineers, Structural use of glass in buildings, London 1999.

[3] ASTM 1894 Standard Method for static and kinetic coefficients of friction plastic film and sheeting.

[4] UNE-EN 1279-2:2003 Vidrio para la edificación. Unidades de vidrio aislante. Parte 2: Método de ensayo a largo plazo y requisitos en material de penetración de humedad.

[5] EN-13830 Fachadas ligeras. Norma de producto.

[6] Steve Benison and Valentina Gizzi, Structural properties of laminated glass, in Glass Performance Days 2007, Tampere.

[7] Matthias Haldimann, Andreas Luible and Mauro Overend, Structural use of glass, Structural engineering document SED, IABSE, Zürich, 2008.