Un material natural como la madera es una herramienta idónea a integrar en proyectos de muro cortina modular para alcanzar los objetivos globales de sostenibilidad

El presente Trabajo Final de Máster, presentado en la edición 2023 del Máster de Fachadas Ligeras de la UPV-EHU, trata de dar los pasos para desarrollar las bases y herramientas necesarias para diseñar un muro cortina modular donde la madera sea la protagonista real, tanto estética como estáticamente. La construcción sostenible y la introducción de materiales naturales en el diseño de los espacios son el hilo conductor e inspirador de la propuesta.

Como en todo elemento arquitectónico, y sin duda la fachada lo es tanto o más que ningún otro, debe existir un equilibrio entre la estabilidad estructural, la estética y las prestaciones.

En el proyecto se analiza la naturaleza de la madera como material y se calcula la capacidad, los límites portantes del sistema y sus prestaciones térmicas.

Se pretende que la estética interior del muro cortina modular esté protagonizada por la madera, de modo que sea esta el único elemento que se manifieste en el interior.

Muro cortina modular de madera.

¿Por qué un muro cortina modular de madera?

• Recurso natural

La madera es un material sostenible, cuyo uso ayuda a reducir el impacto medioambiental del proceso constructivo y conlleva beneficios ambientales por el uso económico y responsable de los recursos naturales y la optimización de los procesos de producción.

• Salud y bienestar

Pasamos gran parte de nuestro tiempo en espacios cerrados. En espacios interiores, el uso de la madera y materiales naturales está relacionado con el bienestar, la calidez, la disminución del estrés, aumento de concentración y con la conformación de espacios más confortables y más habitables.

• Demanda de mercado

Existe una creciente demanda de mercado hacia la incorporación de materiales como la madera en los proyectos de envolventes. La propia imagen, la estética del material y expresar visualmente carácter sostenible, constituyen en sí mismos un producto diferencial.

• Sostenibilidad y huella de carbono

La reducción del porcentaje de aluminio potencial empleado en un sistema modular de entre el 40 y el 70%, implica una reducción considerable en la huella de CO2 en la fase de producción.

La madera implica la inclusión en la envolvente de un material con la capacidad de fijar CO2 en su crecimiento. Una vez integrada dentro de una construcción, se comporta como un almacén de carbono al margen de los procesos que causan el efecto invernadero.

• La evolución industrial: de stick a unitized

En el sector de la fachada ligera se ha venido utilizando la madera en muros cortina Stick.

La evolución necesaria y la demanda del mercado nos dirige hacia sistemas prefabricados y ensamblados en taller en los que obtenemos un módulo sometido a un control de calidad en fábrica muy superior, con un bastidor terminado, acristalado y preparado para ser montado en obra en condiciones controladas, reduciendo casi todas las operaciones in situ y el grado de incertidumbre sobre la capacidad de cada elemento.

La tecnología actual de la madera nos permite realizar fabricaciones precisas e industrializadas, simplificando tanto los mecanizados como las uniones tradicionales que antaño se hacían exclusivamente a mano. La digitalización y el control numérico aseguran el máximo aprovechamiento del material y un diseño eficaz.

La madera como material

La madera es una sustancia orgánica vegetal, compacta y fibrosa.

Es un material natural abundante, relativamente económico y fácil de trabajar. Es renovable, reciclable y biodegradable. La densidad y las propiedades físicas, mecánicas, elásticas y estéticas de la madera varían entre las diferentes especies procedencia del árbol.

Es un material anisótropo. Dada su naturaleza fibrosa, sus características mecánicas y sus propiedades físicas van a ser diferentes en la dirección longitudinal y en la dirección radial y tangencial de la madera.

Es un material higroscópico. Tiene la capacidad de absorber o ceder humedad al ambiente en el que se encuentra. Cuando esto ocurre, sufre cambios dimensionales, de peso y también varía su resistencia y deformabilidad.

Los coeficientes de dilatación de las maderas son muy bajos, por lo que apenas sufre dilatación térmica.

Por su baja conductividad térmica resiste muy bien la penetración del fuego. Tras la combustión de la superficie se origina una capa exterior carbonizada, que protege el interior de la pieza, posibilitando que mantenga sus propiedades físicas o mecánicas más tiempo.

Juntas del sistema

Los sistemas de fachadas modulares son bloques prefabricados que absorben los movimientos en sus juntas horizontales y verticales.

El diseño de la junta entre módulos debe ser capaz de absorber y acomodar las siguientes dimensiones variables, manteniendo su función de elemento de estanqueidad del sistema:

• Tolerancias de fabricación y montaje
• Dilatación térmica
• Variaciones higroscópicas
• Movimientos diferenciales de forjados

Dilatación, hinchazón y merma de la madera

La dilatación en el aluminio es fácilmente dimensionable.

En la madera, los movimientos debido a la dilatación térmica son prácticamente despreciables, pero hay que considerar los cambios de volumen producidos por los cambios de humedad debido a la higrometría de la madera.

El sistema modular se plantea con el elemento madera hacia el interior. A lo largo de la vida útil, las condiciones interiores de los edificios tienden a ser muy estables y por tanto los movimientos, mínimos.

El problema fundamental se va a producir en los procesos intermedios, es decir, en la humedad existente en la fabricación, en el traslado a obra y acopio en obra y en el lapso de tiempo durante el cual las plantas están abiertas y no climatizadas, en los que se pueden producir condensaciones o el rocío puede afectar a la madera si esta no está protegida convenientemente.

Los cambios dimensionales varían en función de la dirección de las fibras de la madera siendo esta, mínima en la dirección axial, media en dirección radial y máxima en la dirección tangencial.

Movimientos diferenciales de los forjados

La flecha y los movimientos diferenciales entre forjados pueden venir causados principalmente por el peso propio (del forjado y de la propia fachada), las sobrecargas de uso, el acortamiento de los pilares de hormigón armado, el asentamiento de las cimentaciones, movimientos sísmicos y las cargas de viento.

Definimos un valor de flecha máxima admisible de L/500, lo que equivaldría a que las juntas horizontales del sistema deban absorber unos movimientos teóricos de +10/-10 mm.

(CWCT: “Technical Note No 56. Accommodation of structural movement “)

Los movimientos a absorber por las juntas, según la aproximación realizada serían:

JUNTA HORIZONTAL: (+19, -16)

• Dilatación térmica aluminio (+4/-1)
• Tolerancia de montaje (+3/-3)
• Aumento humedad madera 12 a 18% (+2/-2)
• Movimientos estructurales (+10, -10)

JUNTA VERTICAL: (+10, -9)

• Dilatación térmica aluminio (+2/-1)
• Tolerancia de montaje (+3/-3)
• Aumento humedad madera 12 a 18% (+1/-1)
• Movimientos estructurales (+4/-4

Criterios de predimensionado

Para el predimensionado del sistema se parte de la idea inicial de que sea la madera la que soporte por completo las cargas del sistema por sí misma, sin la contribución del aluminio.

Si bien es cierto que se trata de un sistema mixto y que los perfiles de aluminio van a contribuir en cierto modo a soportar las solicitaciones y las diferentes combinaciones de cargas, hemos de tener en cuenta que las uniones entre aluminio y madera se realizarán, en general, empleando colisos o taladros oblongos al tresbolillo, que permiten la dilatación térmica del aluminio sin que esta afecte a la madera. Esto supone que la unión entre ambos materiales no es del todo solidaria, por lo que el elemento no cumpliría un cálculo a rasante.

Dado que la inercia y la sección de los elementos de aluminio será mucho menor que la de la madera, y la suma de inercias equivalentes no va a suponer gran diferencia a efectos de cálculo, se opta por obviar al aluminio a efectos de predimensionado en este proyecto.

Los elementos de madera del sistema emplearán madera laminada de castaño de origen nacional con certificación forestal y cadena de custodia FSC® y PEFC.

Cálculo estático

La madera es un material anisótropo, por lo que su comportamiento estructural varía en función de la dirección de las fibras.

La resistencia a tracción y/o flexión paralela a la fibra es muy elevada (Módulo de elasticidad E0, g, mean=13000 N/mm2), sobre todo si la comparamos con la densidad del material. Resiste mucho con poco peso. Es por ello que los montantes funcionan muy bien ante cargas de viento y empuje y las diferentes combinaciones de éstas.

CÁLCULO DE MONTANTE A DEFORMACIÓN – ELS

Cálculo inercia mínima a viento + empuje ELS

CÁLCULO DE MONTANTE A RESISTENCIA A FLEXIÓN – ELU

Cálculo de momento máximo a viento ELU

Cálculo tensiones máximas debidas a viento + empuje

Movimiento del viento  a succión (rojo(; momento de carga a empuje (azul).

Sin embargo, la resistencia a tracción y compresión perpendicular a la fibra es mucho más baja (Módulo de elasticidad E_{90, g, mean}=1400 N/mm²). La compresión es el esfuerzo característico producido en la zona de apoyo de los vidrios, donde se concentra mucha carga en poca superficie. Al actuar de forma perpendicular a la fibra, la madera no es capaz de soportar el esfuerzo, por lo que debemos ser capaces de transmitir esas reacciones a los montantes sin que se produzcan deformaciones o fenómenos de aplastamiento. Sumado a esto, al ser una carga algo excéntrica, se puede llegar a producir un pequeño momento debido al peso del acristalamiento.

Inercias de madera y aluminio en sistema de tapeta.

El problema se solucionará generando un calzo en L que sea capaz de trasladar el peso del vidrio al montante. En la zona donde se ubique, los perfiles de aluminio se unirán a los elementos de madera con más tornillos y sin colisos, de modo que todo el conjunto trabaje de modo solidario.

Según el caso y las cargas a soportar, puede ser necesario colocar una escuadra inferior de acero en el bastidor modular de madera como refuerzo de las secciones.

Se modelizan los sistemas de aluminio-madera diseñados en el programa THERM y se comparan con secciones homólogas en las que los perfiles se plantean enteramente con extrusiones de aluminio.

Se han diseñado o calculado dos sistemas modulares: con tapeta y sistema SG.

En este artículo detallaremos los resultados obtenidos con el sistema con tapeta.

Simulación térmica de sistema con tapeta

Isotermas

Infrarrojo

A la izquierda, madera; al lado, aluminio.

Flujo calorífico

A la izquierda, madera; al lado, aluminio.

Cálculo comparativo de transmitancia térmica Uframe

La comparativa de cálculo de transmitancia térmica del nudo modular del sistema híbrido con el sistema solo aluminio, nos indica que el sistema con madera, la Uf es entre un 30% y un 40% menor que el sistema de sólo aluminio.

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Análisis de resultados: temperaturas en esquina

Al analizar la distribución de temperaturas dentro de la sección, observamos que en la sección de aluminio el flujo queda contenido en el plano de poliamida y vidrio, y el montante de aluminio mantiene una temperatura bastante constante, con un salto térmico de apenas 2 o 3°C desde el interior a la parte frontal del nudo.

En los nudos del sistema de madera, a pesar de ser un sistema exactamente igual al de aluminio en su parte frontal, se comporta de un modo diferente. Las isotermas y el flujo térmico no se paran en la zona de la poliamida, sino que se acentúan en la parte central del sistema, provocando una diferencia de temperatura del interior a la zona frontal de hasta 8 o 9°C.

A la izquierda, temperaturas en madera; a la derecha, temperaturas en aluminio

En la zona en la que la madera se encuentra con el aluminio y en la esquina con el vidrio, tenemos temperaturas de 9,8 °C, mientras que, en la solución equivalente en aluminio con la misma composición exterior, las isotermas se concentran en la línea de RPT y en la esquina de vidrio y la zona de contacto de goma con el perfil tenemos temperaturas de 13,7 °C.

Calcularemos la temperatura de rocío en la superficie interior del cerramiento de fachada empleando el diagrama psicométrico:

Diagrama psicométrico.

Con las condiciones higrotérmicas definidas tendríamos riesgo de condensaciones superficiales en la superficie interior de la madera más cercana al vidrio.

Empleando el cálculo según el CTE, se constata el riesgo, dependiendo de la zona climática de invierno y la clase de higrometría del espacio.

La madera es en sí misma, por su baja conductividad térmica, un material aislante. Entonces, ¿qué ocurre?

Al introducir un material muy aislante en el interior del sistema atrae hacia él las isotermas, desviando el flujo calorífico que discurría por las poliamidas y el acristalamiento. El flujo exterior penetra hacia el interior por la discontinuidad del aislamiento (junta entre módulos).

Este fenómeno es asimilable a lo que ocurre con un puente térmico en un frente de forjado.

Si situamos el aislamiento por el exterior, aunque haya un puente térmico, la afección sobre la temperatura superficial interior es mínima, ya que la capa exterior aislante hace que el cerramiento permanezca a una temperatura mayor y el efecto del puente térmico se diluye.

Por el contrario, si colocamos un elemento aislante por el interior, el cerramiento está a una temperatura más baja en su conjunto y la zona de discontinuidad donde no hay aislamiento tendrá gran efecto sobre la temperatura de las superficies interiores en ese puente térmico, provocando zonas de muy baja temperatura en las que se pueden producir condensaciones si se alcanza la temperatura de rocío.

Modelización de puente térmico en forjados.

Para minimizar y/o evitar en lo posible que se puedan producir se hace necesario optimizar térmicamente la sección del nudo del sistema modular.

Para hacerlo mejoraremos térmicamente de modo gradual la zona exterior del sistema con diferentes estrategias:

1. Mejora de intercalario

Se cambia el intercalario de aluminio por un intercalario ‘Warm Edge’.

La temperatura en la esquina de madera más cercana al vidrio ha subido desde los 9,8°C iniciales a 11,0°C (Δ=1,2 °C).

2. Perfiles de aluminio Hi

Aislamiento en espuma inyectada en la cámara entre poliamidas.

El incremento desde la situación inicial (9,8°C) es de Δ=+1,9 °C. (11,7°C)

3. Espuma aislante en galces de vidrios

Aislamiento tipo espuma de polietileno reticulado de célula cerrada en el espacio entre el vidrio y la perfilería de aluminio.

El incremento desde la situación inicial (9,8°C) es de Δ=+2,2 °C. (12,0°C)

4. Vidrio mejorado

Se modeliza con un vidrio con altas prestaciones térmicas U=0,6 W/m² °K.

El incremento desde la situación inicial (9,8°C) es de Δ=+2,4 °C. (12,2 °C)

5. Espuma en cámara interna entre módulos

Con esta prueba podemos constatar que empeoramos si aumentamos el aislamiento en la cara interna del módulo, ya que provoca que la temperatura en la esquina baje.

Comparativo post mejoras sistema con tapeta

Tras las mejoras, la línea térmica con más riesgo de producir problemas de condensación queda retenida en la línea de RPT y las temperaturas han aumentado en general en toda la sección.

Para asegurar que el sistema funciona térmica e higroscópicamente, es por tanto necesario que la capa externa tenga muy altas prestaciones térmicas, con vidrios de U<1,00W/m2K, warm edge spacer, perfiles aislados Hi, RPT y espumas térmicas en los galces de vidrio, capaces de contrarrestar el efecto que provoca la baja conductividad de la madera en el intercambio de calor interior- exterior.

Se diseña un sistema modular híbrido aluminio-madera, consiguiendo el objetivo de minimizar al máximo la cantidad de aluminio empleado, reduciendo así la huella de CO2 potencial de la fachada.

Se plantean dos sistemas estética y estáticamente diferentes: uno de ellos emplea un sistema de tapeta-presor para fijar el vidrio al bastidor del sistema, y en el otro emplearemos un sistema de pegado con silicona estructural.

Ambos son sistemas perimetrales y cuentan con una triple barrera de juntas de EPDM. El encuentro en esquina entre las juntas se realizará mediante esquineros vulcanizados. La barrera exterior contará con mecanizados que permitan puntualmente la salida de agua.

Sistema con tapeta – system drawings

Sección vertical

Sección horizontal

Sección vertical travesaño intermedio

Sección horizontal paso de forjado

Sección vertical (variante: triple vidrio+ 4 barreras)

En ambos sistemas se plantean extrusiones con un arpón guía que se alojará en un canal mecanizado en la madera, sirviendo para centrar y fijar fácilmente los perfiles. Serán perfiles un poco más estrechos que la madera, para paliar los posibles efectos de hinchazón y merma debidos a los cambios de humedad.

La unión de montantes y travesaños del bastidor principal del módulo se resuelve empleando uniones tradicionales, también llamadas uniones carpinteras. En este tipo de uniones los esfuerzos se transmiten a través de cajas o rebajes y espigas o llaves.

Los perfiles de aluminio se fijarán mediante tornillos para madera de diámetro  4,5 mm x 35 mm, en acero inoxidable A2/70. Estos perfiles se mecanizarán con taladros oblongos de 5x12mm, que estarán colocados a tresbolillo y con una separación no mayor o igual a 125mm. Esta configuración permite que el aluminio dilate libremente sin afectar a la madera. Se debe evitar en lo posible la colocación de tornillos en paralelo para evitar la aparición de fendas en la madera.

En la madera laminada se hará un pretaladro de diámetro  3mm antes de alojar el tornillo en su posición.

Como consecuencia de los resultados obtenidos en la modelización térmica, los sistemas tienen un refuerzo ostensible de aislamiento térmico concentrado en la zona de la RPT del aluminio.

En el diseño del sistema se han tomado en consideración, entre otros factores: las limitaciones del material, los fenómenos de hinchazón y merma por cambios higroscópicos, la relación con los elementos metálicos en los sistemas de unión empleados, el acondicionamiento de las dilataciones diferenciales con el aluminio, la resistencia al fuego, las deformaciones de los forjados sobre los que se apoya el módulo, las solicitaciones a las que está sometido, ventilación y drenaje, las condiciones higrotérmicas, flexibilidad en la elección del acristalamiento, reposición de vidrios, comportamiento térmico, adaptabilidad en su uso en edificación nueva o rehabilitación y la estética desde el interior y desde el exterior.

El diseño parte como un concepto, con unas dimensiones y parámetros determinados para este ejercicio, pero es flexible, ampliable y permite modificaciones y ajustes. Por otro lado, nos permite realizar una comparativa con los sistemas modulares de aluminio existentes en cuanto a tamaño y forma, y abre la posibilidad de que ambos se puedan emplear simultáneamente en caso de que el proyecto lo requiera.

Sistema SG – System Drawings

Sección vertical

Sección horizontal

Las últimas tendencias y modificaciones normativas en construcción abogan por soluciones y materiales sostenibles. Un material natural como la madera, reciclable, durable, renovable, con baja huella de carbono y altamente industrializable, es una herramienta perfecta a integrar en nuestros proyectos para alcanzar los objetivos globales de sostenibilidad.

El potencial que tiene el uso de la madera en fachadas de edificios es enorme, ya no sólo por las implicaciones medioambientales, sino por la propia relación del usuario con una arquitectura responsable que integra materiales naturales tangibles que proporcionan una experiencia vital diferente.

Sin duda, queda mucho trabajo por hacer en cuanto al desarrollo de sistemas modulares de fachada de aluminio-madera, pero la industrialización y la capacidad de poder prefabricar módulos terminados nos proporciona muchas ventajas en cuanto a calidad del producto, prestaciones y tiempos de ejecución.

El valor añadido parte de diseñar y construir de otra manera, tomando en consideración materiales, sistemas y procesos que mejoren nuestra calidad de vida desde un enfoque sostenible, sin perjudicar a nuestro entorno inmediato, ni a los demás, ni al medioambiente.