Para la propuesta de concurso del estudio HozFontán para el edificio ‘La Fabrika’

Este TFM pretende ser un ejemplo de desarrollo de una fachada no convencional para un edificio singular desde el ‘unto de vista de un estudio de arquitectura. El edificio elegido es la propuesta de concurso para 'La Fabrika’, un centro de alto rendimiento para la transformación de la cultura de las empresas en San Sebastián-Donostia, convocado por ADEGI y redactada por el estudio HozFontán conjuntamente con Sukia, Ormak y JG Ingenieros.

Imagen de la fachada norte del auditorio.

El programa exige una serie de espacios polivalentes que se organizan alrededor del núcleo de comunicaciones, siendo el espacio polivalente más noble el auditorio, una gran sala a doble altura radicalmente abierta en su fachada norte.

Como comentario, cuando propuse este edificio para el TFM, no había una intención concreta de desarrollar un tipo de fachada u otro, fue fruto del entusiasmo que despertó la idea inicial de la fachada acristalada del auditorio, que el proyecto se encauzó como una oportunidad para adentrarse en el mundo del vidrio estructural y -sobretodo- de aprender.

Planta con las vistas del auditorio hacia el bosque.

Desde el primer croquis, se ha trabajado en la idea del edificio como captador de vistas, como aquel elemento que direcciona las visuales enmarcando aquello más imprescindible del entorno. En el caso del auditorio: el bosque. Pero si analizamos intencionadamente el croquis, no se dibuja ninguna fachada, pero sí se dibuja -e enfatiza- la envolvente. Por lo tanto, en lugar de hablar de un proyecto de fachada, podríamos hablar de un proyecto de embocaduras.

Croquis de la idea de concurso.

¿Y cómo se materializa un proyecto de no-fachada? El auditorio es un espacio habitable y como tal, se deberán garantizar las condiciones óptimas de confort y seguridad en su interior. En este punto es clave la elección del único material que permite la desmaterialización: el vidrio.

Pero para llevar esta idea al límite, el vidrio debe ser el único material que aparezca en escena. Y éste será el verdadero reto del proyecto: diseñar una superficie vidriada sin otros elementos que puedan interferir en la visual hacia el bosque.

1. Comportamiento mecánico

La estructura molecular irregular del vidrio explica su principal característica física: la fragilidad. La ausencia de un periodo plástico hace que la fractura ocurra repentinamente, por ese motivo, los procesos de manufactura buscan mejorar su comportamiento mecánico.

• Pulido de cantos

Elimina las microfisuras que quedan en la superficie del vidrio debido al proceso de producción y que pueden desencadenar el riesgo de rotura. Tipos: arista arenada y canto pulido industrial plano (mate o brillo), rectilíneo o redondo. En vidrios laminados, es importante realizar primero el pulido de cantos y posteriormente el proceso de laminación, para asegurarse de que todos los cantos (interiores y exteriores) quedan pulidos.

• Tensionado

Incrementa considerablemente la resistencia del vidrio. Tipos: termoendurecido, templado químico y templado térmico. En este último, el proceso de calentamiento y enfriamiento rápido consigue que la superficie del vidrio quede expuesta a esfuerzos de compresio´n y el interior a esfuerzos de tracción. Por lo tanto, cuando las microfisuras superficiales tenderían a abrirse, la compresión de la superficie intenta cerrarlas.

• Laminado

Conjunto de varias hojas de vidrio unidas por una capa intermedia o intercalario. La resistencia del vidrio laminado sigue siendo muy discutida, puesto que su comportamiento se encuentra entre dos límites: el monolítico y el estratificado. La discusión está determinada por la transferencia del esfuerzo cortante del intercalario y, por lo tanto, de su rigidez (o módulo de cizallamiento) que a la vez depende de la duración de aplicación de la carga y de la temperatura.

2. Comportamiento fotoenergético

Debido a la problemática del sobrecalentamiento de los edificios en verano y las pérdidas de calor en invierno, los transformadores de vidrio buscan mejorar su comportamiento fotoenergético.

Recubrimientos metálicos. Reflejan la luz tantas veces como capas se colocan. Las capas Low-E o bajo emisivas son apropiadas para climas fríos o acristalamientos no expuestos debido a que tienen valores de TL alta, FS elevado y U bajos. En cambio, las capas de control solar son apropiadas para climas cálidos y fachadas expuestas puesto que se caracterizan por valores de TL bajos y FS también bajos.

Vidrio aislante. Mejora el confort térmico y acústico frente a un vidrio monolítico. Está formado por dos o más lunas separadas por una cámara estanca de aire (u otro gas deshidratado como argón o criptón) mediante un perfil separador en el cual se incluye un absorbente de la humedad y se sella mediante una primera barrera de butilo y una segunda de silicona.

El vidrio no dispone de un período de plasticidad que advierta de su futura rotura y permita trabajar con un margen de seguridad. Por ese motivo, el vidrio se ha utilizado históricamente en arquitectura como elemento de plementería y no ha sido hasta las últimas décadas que se ha utilizado como elemento estructural.

1. Fabricación y manufactura

La evolución de la industria del vidrio junto con los avances en materia de transporte, manipulación y puesta en obra, da respuesta a las nuevas exigencias de diseño. El largo máximo ya no se limita a los 6m comerciales, sino que puede alcanzar los 18m.

2. Materiales de laminado

El SentryGlass, ha permitido dotar de mayor resistencia y seguridad post-rotura a los laminados, puesto que, frente al PVB, presenta un mejor comportamiento a altas temperaturas y a cargas de larga duración confiriendo una mayor resistencia y rigidez al laminado puesto que las combaduras y los deslizamientos entre los vidrios son menores.

3. Procesos de laminación

Los insertos de piezas de acero inoxidable o titanio en el interior del vidrio en el mismo proceso de laminación han revolucionado los sistemas de ensamblaje y unión entre diferentes elementos de vidrio, dotándoles de ligereza y permitiéndoles pasar prácticamente desapercibidos.

Se detallan las más determinantes para la elección de un vidrio estructural.

1. La resistencia mecánica

La resistencia mecánica no puede considerarse una constate del vidrio, puesto que depende del tamaño de las piezas y de la duración de la carga. Por un lado, si el tamaño del vidrio es mayor, probablemente habrá un mayor número de imperfecciones y, por lo tanto, una mayor probabilidad de fallo. Por otro lado, si la duración de la carga es mayor, actuará durante más tiempo sobre las fisuras y, por lo tanto, aumentará el tamaño de las mismas hasta una mayor probabilidad de rotura.

Valores orientativos de resistencia mecánica según UNE-EN-16612-2020.

2. Patrones de rotura

Tienen su explicación en la compresión a la cual está sometida su superficie. A mayor compresión de la superficie, más pequeños serán los fragmentos (vidrio templado), y a menor compresión de la superficie, mayores serán los fragmentos (vidrio flotado). Los vidrios termoendurecidos tienen un patrón de rotura intermedio. El patrón de fractura de un vidrio templado que forma parte de una unidad laminar, cambia ligeramente dependiendo de la rigidez del intercalario.

3. Rotura por choque térmico

Un vidrio por sí mismo aguanta altas y bajas temperaturas si se dan uniformemente en toda su masa, pero cuando no es así, las microfisuras pueden acabar rompiendo el vidrio.

4. Rotura espontánea

En el vidrio templado pueden producirse roturas espontáneas debido a las impurezas producidas por las inclusiones de sulfuro de níquel (NiS) debidas a la fabricación propia del vidrio flotado. La prueba del Heat Soak Test (HST) se recomienda en situaciones donde la estabilidad del cerramiento y la seguridad del usuario pueden verse afectadas.

5. Seguridad post-rotura

Propiedad del elemento de vidrio a conservar su integridad y capacidad de carga suficiente como para no colapsar inmediatamente después de la rotura. Específicamente, esta propiedad hace referencia a la adherencia de los fragmentos de vidrio a la capa intermedia tras la rotura, que en el caso del SentryGlass es mayor que en el PVB.

6. Deslaminación

Riesgo de los vidrios laminares debido a la exposición a los cambios de temperatura, humedad o ambientes corrosivos. Además, si el vidrio laminado se corta con el PVB adherido, hay más probabilidades de deslaminación.

7. Aspecto

La elección del vidrio con una composición baja en óxido de hierro o vidrios extraclaros Low-Iron, permite obtener más transparencia y evitar el tono verdoso no deseado debido al elevado espesor de la masa de vidrio.

Puesto que la utilización del vidrio como elemento estructural es relativamente reciente, no existe hasta el momento una normativa homogénea. El cálculo de la fachada objeto de estudio hace referencia a la normativa vigente UNE-EN 16612:2020 Vidrio para la edificación hasta su alcance y luego se apoya en la normativa australiana AS 1288-2006: Glass in buildings – selection and installation.

1. Dimensionado

La carga principal de diseño para el dimensionado de una fachada vertical de vidrio es la acción del viento (presión o succión). Siguiendo el CTE DB SE-AE, el valor característico de la carga de viento calculado mediante la expresión q_e=q_b·c_e·c_p es de +1,1kN/m² en viento a presión y -1,25kN/m² en viento a succión. El espesor del vidrio debe ser suficiente para soportar adecuadamente la carga de diseño prevista y controlar la flecha de la luna durante la aplicación de dicha carga.

Mediante la fórmula de la teoría de flexión pura de placas de Timoshenko, se determina la composición, que será un vidrio doble de 12+12 mm laminado para la hoja exterior y 12 mm templado para la interior. Posteriormente, para equilibrar el comportamiento tensional entre las dos hojas se verifica que e_{hoja exterior(laminar)}-e_{hoja interior} ≤ 4mm, considerando los espesores equivalentes en monolítico. Finalmente, se verifica que la flecha máxima admisible es inferior a l/100.

2. Composición del vidrio

La composición de los paneles de vidrio de fachada de 3.200x7.800 mm es una solución de vidrio aislante doble para mejorar el confort térmico y acústico y reducir el riesgo de condensaciones: Ariño Douglass DA Ambience LowIron 12+ LowIron 12.2 PVB / 16mm Negro Argón / LowIron 12mm Templado + HST con capa magnetrónica de baja emisividad Ariplak Súper-E en cara 5# para el ahorro energético, al tratarse de una fachada no expuesta. Todos los cantos serán tratados canto pulido plano brillo y todos los vidrios deberán haber pasado el test HST.

Composición de vidrio aislante resultante.

1. Dimensionado

Para el dimensionado de las cartelas de vidrio de 7,8m de altura debe verificarse capacidad, deformación y pandeo.

Verificaciones para el dimensionado de una cartela de vidrio.

• Capacidad

La tensión principal máxima calculada por ELU debe ser inferior a la capacidad o resistencia del vidrio calculada según la norma EN 16612 2019.

Para un vidrio templado térmicamente, en horizontal, a carga de viento, será de f_g;d = 81N/mm² según la siguiente fórmula, la primera parte de la cual hace referencia a valores del vidrio recocido y la segunda a un factor de corrección adicional según el tipo de proceso de tensionado.

Para el cálculo de la tensión principal máxima por ELU (σ_max), se determina el esquema estructural y se introducen las condiciones de contorno de la cartela de vidrio, que responde al de una viga bi-apoyada con el extremo superior libre para poder dilatar y una carga aplicada uniformemente distribuida.

Posteriormente, se generan hipótesis de cálculo considerando diferentes valores de canto y espesor de vidrio hasta verificar el cumplimiento de la capacidad del vidrio templado obtenido anteriormente. Todas las hipótesis se generan con vidrio laminar, para verificar el cumplimiento con un componente roto de cara a la seguridad post-rotura. Como se puede observar en la tabla, para el cálculo del elemento a flexión, mejor aumentar el canto de la cartela que el espesor.

Tabla de hipótesis de cálculo para el cumplimiento de la capacidad del vidrio.

• Pandeo

Las cartelas de vidrio son elementos esbeltos no arriostrados a lo largo de su longitud y susceptibles de vuelco lateral. Por lo tanto, se evaluará el momento crítico de pandeo elástico (M_cr) según la siguiente ecuación de la norma AS 1288-2006, para el caso de cartelas con un canto completamente arriostradas por el vidrio de fachada y el opuesto totalmente libre hasta los apoyos:

Se generan distintas hipótesis de cálculo para determinar la sección de la cartela y verificar M_cr/M_ed≥1,7. Como se puede observar en la tabla, para el cálculo del elemento a pandeo, mejor aumentar el espesor de la cartela, que no el canto.

Tabla de hipótesis de cálculo para el cumplimiento del pandeo por flexión.

La inestabilidad por pandeo se produce en la sección débil de la cartela, por lo que el espesor del vidrio juega un papel determinante en el cálculo. Por ese motivo, aunque se cuenta con la colocación de un SentryGlas entre los vidrios laminados, para al cálculo se considera el espesor equivalente en monolítico y se verifica la hipótesis con un componente roto.

• Deformación

La deformación calculada por ELS (ω_max) debe ser inferior a la deformación máxima admisible (ω_d) calculada según la normativa AS1288-2006, que limita la flecha a L/65 o 50mm. Se verifica que la flecha máxima para una cartela de 400mm de canto y composición 15+15+15mm es de 19mm <50mm.

2. Composición del vidrio

La composición del vidrio para las cartelas de 7.800x400mm es una solución de acristalamiento laminado de seguridad: Ariño Douglass Stralami LowIron 15T HST + LowIron 15T HST+ LowIron 15T HST, unidas mediante 4 láminas Sentry Glass Plus de 0,76mm cada lámina e insertos de titanio embutidos en el laminar mediante un proceso de laminado realizado en bolsa de vacío para garantizar una correcta adherencia y hermeticidad. Todos los cantos deberán ser tratados canto pulido plano brillo y todos los vidrios deberán haber pasado el test HST.

Composición de cartela de vidrio resultante.

El plano de fachada tiene unas dimensiones de 22,40 metros de ancho y 7,80 metros de alto, y se compone de 7 paneles de 3,20 m x 7,80 m estabilizados por cartelas de vidrio estructural de 400mm de canto.

El diseño de los anclajes responde al esquema estructural y las consideraciones de contorno descritas en el apartado de cálculo, con lo cual, las uniones serán mediante bulones con colisos en la unión superior para permitir el desplazamiento.

Detalles anclajes superior e inferior en sección.

Detalle anclaje inferior en planta.

La conexión de los paneles de vidrio aislante de fachada con las cartelas de vidrio se resuelve mediante insertos de titanio puntuales en el vidrio laminado uniformemente distribuidos a lo largo de la cartela para responder a la carga aplicada considerada en el cálculo. La fijación de los paneles de vidrio es mediante silicona estructural y el sellado exterior con silicona neutra.

Detalle unión vidrios de fachada con cartela.

Detalles inserto de titanio en planta.

Detalles inserto de titanio en sección.

Los perfiles de sujeción del vidrio inferior y superior, se han diseñado específicamente con un calzo plástico intermedio para la rotura del puente térmico y se ha previsto un drenaje en el perfil inferior para evitar la acumulación de humedad y evitar el riesgo de deslaminación.

Detalles perfiles superior e inferior con calzo plástico y drenaje.

Leyenda.

En vidrio estructural, en caso de rotura, no solamente se compromete la estabilidad del elemento, sino que, al tratarse de un material frágil sin período elástico, puede producirse el colapse del conjunto produciéndose daños materiales e incluso pérdidas humanas.

Por lo tanto, por un lado, será interesante realizar un estudio de riesgos o ‘risk assesment’ para definir el grado de riesgo que quiere asumirse y, por otro lado, realizar múltiples ensayos y ‘mock-up’ para verificar el comportamiento del conjunto tanto a nivel de cálculo como de diseño del detalle.

1. Condiciones de contorno

Las condiciones de contorno son aquellas restricciones fruto del comportamiento de los elementos estructurales según el tipo de unión entre los mismos (conexiones articuladas, bi-articuladas o rígidas) y el tipo de fijación con el suelo (apoyo deslizante, articulado, articulado deslizante o empotrado). Es imprescindible definir correctamente las condiciones de contorno de todos los elementos estructurales, así como la correcta aplicación de las cargas.

Posteriormente, debe realizarse un riguroso diseño del detalle constructivo de las uniones para que funcionen tal y como se han considerado en el cálculo. Es fundamental que cada elemento trabaje única y estrictamente para lo que ha sido dimensionado.

2. Tolerancias

La manufactura del vidrio requiere de un alto nivel de precisión que se ha visto incrementado con la aparición de los insertos en el proceso de laminación. Por lo tanto, es imprescindible detallar un cuadro de tolerancias de fabricación después de realizar múltiples ensayos y prototipos.

Por otro lado, y de cara al montaje en obra, es importante fijar las tolerancias máximas admisibles entre los diferentes sistemas, puesto que se debe compatibilizar la precisión de la manufactura del vidrio con la imprecisión del hormigonado in situ.

3. Regulación

Los anclajes deben ser capaces de corregir la falta de precisión en la obra en relación a la verticalidad, los niveles, la plomada o la planimetría. Obviamente, esta imprecisión debe de encontrarse dentro del cuadro de tolerancias permitidas.

Proceso de montaje en obra.

Cuando en un proyecto hay voluntad de innovación y búsqueda de calidad arquitectónica, es fundamental el estudio y la investigación de la técnica. El nivel de especialización y el ritmo frenético al que avanza la innovación tecnológica actual, sobrepasa los límites de la formación académica de un arquitecto. Y no se trata de que los arquitectos sepamos de todo -pues eso obviamente es imposible-, sino de saber qué preguntas hacer, a quién y en qué momento del proceso. Así pues, para lograr la calidad arquitectónica es imprescindible anticiparse, rodearse de un equipo integral y multidisciplinar donde cada miembro aporte su parte para obtener una visión global del proyecto y llegar a un resultado de conceso.

El conocimiento de una pequeña parte de la técnica en el campo del vidrio estructural adquirido a lo largo de este TFM, me ha permitido como arquitecta adentrarme en una especialidad compleja, hasta el momento completamente desconocida para mi. Pues detrás de todo concepto o idea de proyecto debe haber un detalle; un conjunto de documentación técnica compuesta por planos, especificaciones y pliego de condiciones, que a la vez deben estar apoyados por modelizaciones de cálculo, ensayos y maquetas a escala real para dar fiabilidad al proyecto y reducir la incertidumbre.

Y es así como la técnica sustenta las ideas y las ideas dirigen la técnica, de eso trata la innovación.