Diseño de vidrio ¿Estamos seguros?

El vidrio es un material de uso común en la edificación, y con el paso de los años ha pasado de ejercer una función de relleno de huecos -para permitir el paso de luz mientras cumple con las prestaciones propias de la envolvente como barrera frente a agentes exteriores- a adoptar diferentes grados de responsabilidad estructural. Esta evolución constructiva no ha sido acompañada, en las últimas décadas, por una evolución paralela de las normativas de cálculo y diseño de elementos de vidrio. Pero esta situación singular no ha pasado desapercibida, y hay en marcha varias líneas de trabajo encaminadas a corregirlo, con participación del ámbito académico, profesional e industrial. Este artículo explica los avances más recientes en la elaboración de estas normativas de vidrio, poniendo énfasis en los trabajos que conducirán a la publicación del próximo Eurocódigo de vidrio, y presentando el grupo español que forma parte del grupo de ámbito europeo que está encargado de la elaboración del documento.

Cuando paseamos por una ciudad y observamos los edificios que nos encontramos a nuestro alrededor, asumimos que sus componentes han sido diseñados, calculados, fabricados e instalados de acuerdo con parámetros rigurosos de seguridad, basados en criterios científico-tecnológicos suficientemente probados.

Esto se debe principalmente a que los materiales utilizados en la construcción de estos edificios son tradicionales y se han utilizado en la edificación desde siglos atrás. En paralelo a su utilización se ha ido generando la normativa y documentos necesarios para su validación, hasta que en la actualidad esta normativa nos garantiza el buen funcionamiento de estos edificios y la seguridad de la edificación.

La evolución del sector de la construcción conduce a la adopción de materiales no tradicionales, cada día más habituales. El vidrio, en su función estructural o semi- estructural, es uno de ellos.

El vidrio es un material que, por sus propias características de transparencia y fragilidad, crea en ocasiones una cierta sensación de inseguridad en los usuarios -especialmente evidente en el caso de suelos o plataformas de vidrio.

Existe la tentación de despreciar esta sensación como infundada y fruto del desconocimiento del usuario. ¿Es este un argumento bien fundamentado? El artículo pretende poner esta cuestión en contexto.

Desde principios del siglo XX hasta los años 70 los edificios tenían unos huecos en fachada de pequeñas dimensiones, que no tenían ningún cometido estructural de resistencia: prácticamente ni siquiera era necesario comprobar su resistencia y comportamiento estructural, y era suficiente adoptar los espesores de vidrio determinados por la práctica habitual.

A partir de los años 70, los edificios se fueron transformando, principalmente en el sector servicios (edificios de oficinas), y cada vez tenían unas superficies acristaladas de mayores dimensiones para aumentar la transparencia y ganar en sensación general de ligereza. Apareció así el concepto de muro cortina. Esta evolución hacia paños más grandes de vidrio hizo que aumentase la importancia de considerar correctamente los esfuerzos a que estaban sometidas las placas de vidrio.

A partir de los años 80 se comenzó a realizar los primeros cálculos estructurales del vidrio, para determinar los espesores mínimos necesarios que condujeran a un diseño seguro: evitando roturas y, por supuesto, desprendimientos.

Sin embargo, el vidrio en estos edificios seguía siendo un elemento de cerramiento sin misión estructural: transmitía las cargas que recibía a los elementos de la envolvente que les servían de apoyo, pero no aportaban soporte para ellos mismos o para otros elementos del edificio.

Vestíbulo Torre Europa. Foto: Miguel Ángel Núñez.

En los últimos años, sin embargo, en cada vez más proyectos el vidrio se transforma en un material estructural que soporta el cerramiento (a sí mismo), la cubierta, los suelos o cualquier otro elemento constructivo. Piénsese por ejemplo en grandes muros cortina con costillas de vidrio, en suelos o escaleras de vidrio, o en atrios o vestíbulos formados íntegramente por elementos de vidrio: placas de cerramiento, pero también vigas y pilares.

Pero ¿qué normativa o documentos nos ofrecen la seguridad del funcionamiento estructural de estos elementos? ¿Tenemos las mismas garantías que con el hormigón o el acero?

Actualmente, en España la normativa de obligado cumplimiento es el CTE (Código Técnico de la Edificación), que se encuentra dividido en distintos documentos básicos. En el caso de la seguridad de los edificios se debe hacer referencia al documento básico de seguridad estructural, que a su vez se encuentra dividido en 6 partes, siendo la primera de ellas en la que se establecen los sistemas de cálculo y validación (DB-SE), el segundo en el que se establecen las acciones (DB-SE-AE), en el tercero se establecen los criterios de cálculo para las cimentaciones como parte especial de los edificios (DB-SE-C), y los tres restantes en los que se define el comportamiento de diferentes materiales estructurales utilizados habitualmente en la construcción: el acero (DB-SE-A), la fábrica de ladrillo u hormigón (DB-SE-F) y la madera (DB-SE-M). Adicionalmente existen normativas específicas fuera del CTE para otros materiales de uso habitual, como puede ser la instrucción de hormigón armado (EHE) o el acero estructural (EAE), que también son de obligado cumplimiento.

Por otro lado, como normativa de referencia para elementos especiales o que no estén referenciados en estas normas están los Eurocódigos, que son normativas europeas que comparten la misma filosofía de la normativa española y que la complementan dónde ésta no llega. Los eurocódigos vigentes hasta el momento son los siguientes:

• Eurocódigo 0. Bases de cálculo de Estructuras
• Eurocódigo 1. Acciones en Estructuras
• Eurocódigo 2. Proyecto de Estructuras de Hormigón
• Eurocódigo 3. Proyecto de Estructuras de Acero
• Eurocódigo 4. Proyecto de Estructuras Mixtas de Acero y Horimgón
• Eurocódigo 5. Proyecto de Estructuras de Madera
• Eurocódigo 6. Proyecto de Estructuras de fábrica (Albañilería)
• Eurocódigo 7. Proyecto Geotécnico
• Eurocódigo 8. Proyecto para la resistencia al sismo de las Estructuras
• Eurocódigo 9. Proyecto de Estructuras de Aleación de Aluminio

Pero, ¿qué hacemos para calcular el vidrio? ¿Cómo se calcula el vidrio en España? ¿Qué normativa o bases y criterios de cálculo se toman como referencia?

Este es uno de los grandes problemas dentro del sector del vidrio y de las fachadas. En el pasado congreso ICAE celebrado en Junio de 2018, se realizó una encuesta entre los profesionales del sector de la fachada, obteniéndose una disparidad muy alta entre los sistemas de cálculo y validación utilizados.

El resultado de esta encuesta, aun no teniendo valor científico, indica que existe un alto grado de incertidumbre en este punto si ni siquiera los profesionales especializados del sector tienen un marco de referencia común.

Esto nos lleva de nuevo a la misma pregunta: ¿estamos seguros de los cálculos que justifican nuestros diseños de vidrio?

Como en todos los sectores, los proyectos y las necesidades de la industria van por delante de la normativa, que codifica desarrollos técnicos y tecnológicos a posteriori.

Con la necesidad del proyecto, la industria consigue evolucionar y dar servicio a las ideas, y una vez que los productos se han conseguido, es necesario regularlos, y es cuando aparece la normativa para asegurar la seguridad y la calidad de dichos elementos.

En el caso del vidrio, la evolución se realiza de esta manera: mediante avances en el diseño, no sólo en el sector de la construcción sino también en la automoción, la industria debía avanzar para conseguir dar respuesta a los nuevos retos, y posteriormente la normativa validaba esos avances tecnológicos.

Como se puede ver en el anterior gráfico, en el que se muestra la evolución en la tecnología del vidrio desde tres puntos de vista, desde el punto de vista de diseño, de la tecnología y de la normativa, los avances en el mundo del vidrio comienzan a principios del siglo XX y van evolucionando poco a poco durante todo el siglo hasta la década de los 70 dónde los avances empiezan a ser más continuos y rápidos hasta nuestros días, teniendo una evolución exponencial desde principios del siglo XXI.

En la década de los 70 se empieza a utilizar el vidrio laminado y comienza la utilización de programas de cálculo complejo (elementos finitos; FEM por sus siglas en inglés) que ayudarán en el diseño de los elementos estructurales de vidrio, siendo el primer exponente el edificio de la fábrica Willis, Faber & Dumas de Norman Foster en Ipswick (Reino Unido). En ese momento también aparecen los primeros documentos enfocados al uso del vidrio, como son la normativa italiana, que será la primera de referencia, y posteriormente a principio de los 80 un manual de vidrio editado por la empresa fabricante Saint-Gobain, que será el documento de referencia utilizado en los años posteriores.

Posteriormente, en la década de los 90 aparecerán más normativas enfocadas al cálculo de vidrio, como la norma francesa o la norma americana, basadas en la teoría de placas y válidas únicamente para cálculo de vidrio de cerramiento, no formando parte de elementos estructurales.

En esta década también se desarrolla la normativa europea de vidrio para la construcción (UNE EN 572) en la que se definen las características físicas y mecánicas del vidrio plano para la construcción. Debe tenerse en cuenta sin embargo el diferente propósito de las normas de producto (que codifican aspectos relacionados con las propiedades del material, y enfocadas fundamentalmente a estandarizar la fabricación) y las de diseño y cálculo.

En estos años, la realización de construcción de elementos en vidrio aumenta exponencialmente con multitud de ejemplos al igual que las normativas en diferentes países, como Australia o Nueva Zelanda. Gracias a los avances en los programas de simulación y en el estudio del vidrio, estas normativas tienen un enfoque más moderno sobre el comportamiento estructural del vidrio, y abarcan no sólo el vidrio como cerramiento sino también como elemento estructural introduciendo el concepto de consecuencia en la normativa, es decir, no es lo mismo que colapse un vidrio de cerramiento que un elemento de vidrio que sostente una fachada o sea parte principal del edificio.

En la década de los 90, la construcción de elementos en vidrio aumentó exponencialmente con multitud de ejemplos, al igual que las normativas en diferentes países.

También aparecen normas de caracterización del vidrio como los proyectos de norma 13474 en el año 2000, que también aporta más información y detalle sobre la resistencia característica del vidrio en función de distintos factores, como el proceso de fabricación, el tratamiento térmico o la duración de la carga. Pero estas normas nunca fueron aprobadas definitivamente y no entraron en vigor. Posteriormente en el año 2013 fueron actualizadas por el proyecto de norma 16612 que tampoco han sido aprobadas hasta el momento.

Sin embargo, estos documentos tampoco cubren el ámbito más general del diseño y cálculo de vidrio en su aplicación estructural.

Estos proyectos de norma han sido realizados por el Comité Técnico 129 de normalización, que son los dedicados a la caracterización del material (vidrio) para su utilización en construcción. Este comité se encarga de los siguientes aspectos de la definición del vidrio:

• Definición de los distintos tipos de productos de vidrios, tanto básicos como procesados.
• Definición de sus características físicas y mecánicas.
• Definición de los métodos de ensayo para la medición de dichas características.
• Método de cálculo para obtener dichas características.
• Requerimientos de los vidrios como durabilidad.
• Clasificación de los productos de vidrio como por ejemplo a nivel antirrobo o antivandálico.

Observando este panorama existente en el sector del vidrio sin una normativa clara a nivel estructural que regule los elementos realizados con vidrio, el Comité Europeo de Normalización decide la realización de un nuevo Eurocódigo que regule los elementos estructurales realizados con este material.

De la elaboración del Eurocódigo se encarga el Comité Técnico 250, que es el responsable del desarrollo de todos los Eurocódigos estructurales, en distintos grupos de trabajo. En este caso se forma Subcomité 11 para el desarrollo del Eurocódigo de Vidrio Estructural.

Este comité se encargará de desarrollar el método de cálculo y validación de los elementos estructurales de vidrio, así como de los elementos de revestimiento, al igual que se realiza para otros materiales, siguiendo esa misma metodología.

Merece la pena señalar que existe un cierto solape entre los alcances respectivos de los documentos en preparación por los comités 129 y 250. En el caso del segundo, el alcance se describe así: diseño estructural de componentes de vidrio con soporte mecánico y sistemas compuestos por componentes de vidrio, atendiendo a principios y requisitos de seguridad y aptitud para el servicio de acuerdo con las bases establecidas en el Eurocódigo 0 (EN 1990). El futuro eurocódigo de vidrio contemplará requisitos de resistencia, aptitud para el servicio, características de fractura y consecuencias del fallo de componentes en relación con la seguridad de las personas, robustez, redundancia y durabilidad de las estructuras de vidrio.

Como puede observarse, se trata de un alcance general que engloba el campo particular del que trata el documento 16612: determinación de la resistencia frente a solicitaciones de elementos de vidrio cuya función sea la de relleno formando parte de la envolvente de edificios.

Este solape de alcances ha dado lugar a interpretaciones dispares y polémicas entre ambos comités, puesto que la formulación usada en los documentos no coincide en aspectos esenciales. Estas discrepancias están siendo objeto de estudio por parte de los dos comités, y deberán ser resultas en la versión definitiva de ambos documentos.

En este punto, nos centramos en los trabajos relacionados con la elaboración del futuro eurocódigo de vidrio.

Este documento viene desarrollándose desde hace años. En primer lugar, el comité publicó un documento inicial que recoge el estado del arte y contexto normativo internacional en relación a los aspectos principales que conformarán en último término la norma. Se trata de un primer documento de trabajo que plasma las directrices que pretenden informar el futuro eurocódigo.

A continuación, y tomando el documento anterior como base, se ha elaborado un primer borrador de eurocódigo. Este borrador traza las directrices principales del documento, estableciéndose como un documento de reglas y normativa de diseño y construcción, indicando ya desde el inicio que no sólo se centrará en establecer las bases de cálculo y diseño, sino que también aportará normas de construcción de los distintos elementos realizados de vidrio estructural. (El nombre del documento será: Vidrio Estructural. Normas de diseño y construcción. Structural Glass – Design and construction rules).

El documento se divide en tres partes:

• Parte 1. Bases de diseño y materiales. Basis of design and materials
• Parte 2. Componentes de vidrio cargados fuera de su plano Out-of-plane loaded glass components
• Parte 3. Diseño de elementos de vidrio con cargas en su propio plano y juntas mecánicas. Design of In-plane loaded glass elements and their mechanical joints

1. Principios fundamentales

Uno de los puntos principales aspectos introducidos en el próximo Eurocódigo será la distinción de los elementos de vidrio en función de su función estructural y por tanto de su clase de consecuencia.

Este aspecto es novedoso tanto en la normativa como en los Eurocódigos por las particularidades del vidrio como material estructural de carácter frágil. En la siguiente tabla se pueden observar las clases de consecuencia establecidas, en función del daño que pueden causar en caso de colapso del elemento.

2. Alcance del documento

El documento será análogo al resto de Eurocódigos editados hasta el momento, haciendo referencia al Eurocódigo 0 como las Bases de cálculo y al Eurocódigo 1 como Acciones en las estructuras, por eso dentro del alcance tendremos al menos los siguientes aspectos:

• Bases de diseño incluyendo los conceptos adicionales en el vidrio por ser un material frágil de robustez y redundancia en el diseño para conseguir una mayor seguridad de los elementos construidos.
• Clasificación de los elementos en función de la clase de Consecuencia.
• Teoría de Estados Límites Uñtimos y Limites de Servicio según se establece en el Eurocódigo 0.
• Propiedades de los materiales, teniendo en cuenta además del vidrio las láminas intercalarias y las siliconas estructurales para vidrios laminados o dobles acristalamientos.
• Conceptos de durabilidad
• Sistemas de cálculo y análisis previstos
• Distintas tipologías y sistemas de apoyos de los elementos, incluyendo apoyos continuos, lineales, puntuales, con taladros con adhesivos.
• Ensayos de validación
• Buenas prácticas constructivas en función del tipo de elemento y su funcionalidad.
• Por último también se incluirán aspectos de diseño basado en ensayos para su validación, para aquellos elementos que no sean fáciles de calcular o simular.

En definitiva se trata de un documento completo para el diseño y la validación de elementos estructurales de vidrio, tanto principales como secundarios o de cerramiento.

Para el desarrollo del trabajo en el documento se ha creado un grupo de Trabajo dentro del comité técnico de normalización. Este grupo de trabajo a su vez tiene una serie de grupos nacionales denominados grupos ‘espejo’ del grupo principal, en el que se desarrollan los trabajos a nivel nacional.

En España también se ha creado el grupo espejo a través de Aenor como entidad de Normalización Nacional y está compuesto por profesionales del sector de la envolvente y del vidrio, tanto de centros públicos como universidades o centros tecnológicos (Tecnalia, Universidad de Oviedo, Universidad Politecnica de Madrid o Centro Superior de Investigaciones Científicas), como de empresas privadas cubriendo todos los intervinientes en el proceso de construcción, desde arquitectos y diseñadores (Arup, Enar o KRea), hasta constructores de fachadas (Bellapart), pasando por fabricantes y transformadores de vidrio (Saint Gobain y Guardian).

El objetivo principal del grupo espejo español es contribuir al grupo principal con las aportaciones que puedan surgir.

Estas aportaciones pueden ser desde la simple corrección y traducción de los documentos de trabajo existentes, hasta aportaciones o correcciones desde un punto de vista técnico al documento, basadas en investigaciones propias o experiencias para dotar al documento definitivo de la mayor calidad posible.

El segundo objetivo del grupo es dar a conocer a la industria del sector en España lo que se está realizando para obtener la información necesaria de ellos y compartirla con el grupo principal.

Por último, el tercer objetivo principal es la realización de los anejos nacionales del Eurocódigo para su aplicación directa en España en coordinación con la normativa existente en nuestro país.

Las actividades del grupo son en primer lugar el análisis de la documentación principal realizada por el grupo central, asistiendo a las reuniones periódicas, así como la difusión de las acciones en el sector.

El ámbito del vidrio estructural en este momento se encuentra con una alta dispersión sin una documentación base que permita tanto a la industria como a los diseñadores tener una validación de los elementos construidos y proyectados, de manera que no se pueden avalar los diseños de una manera inequívoca.

No obstante, se está trabajando para obtener una normativa de referencia a nivel europeo que permita la validación de todos los elementos realizados con vidrio, aumentando el grado de seguridad y calidad de estos elementos.