Criterios de Diseño de Muros Cortinas

Criterios de diseño de muros cortina Master de Elementos de la Edificación EUAT Ignacio Fernández Solla Madrid, 23 de Marzo de 2009

Indice

1. Cómo funciona una fachada ligera 2. Problemas más frecuentes en los muros cortina 3. Criterios de diseño y montaje 4. Ensayos y normativa de aplicación

1. Cómo funciona una fachada ligera

1.1 De la fachada tradicional al muro cortina: A. B. C. D. E.

Muro portante: espesor Pórticos de acero (1870) Estructura reticular (1930) Núcleo central resistente (1950) Contribución estructural de la fachada (1960)

B

C

1.2 El vidrio toma el mando




Del vidrio simple al doble acristalamiento. Medidas, capas, acabados. Resistencia a viento y a otras cargas: templado, laminado…

D

E

1. Cómo funciona una fachada ligera

1.3

… y las cosas se complican

1. Cómo funciona una fachada ligera

Conceptos:







Fachada colgada (no apoyada) Dilatación vertical entre plantas Dilatación horizontal entre montantes Ajustes fachada – estructura: anclaje en el canto del forjado Cargas: viento, peso propio, sobrecargas de uso Vidrio no colaborante (elemento de relleno)

A.

Sistema de montantes y travesaños

1. Cómo funciona una fachada ligera

Ventajas:








Solución común en el mercado Costo mínimo de suministro Tiempo mínimo de proyecto y suministro Fácil entrega de componentes extra Se pueden cerrar dos plantas con un solo montante

Desventajas:












A.

Sistema de montantes y travesaños





Solución arquitectónica simple Tendencia a atraer fachadistas de baja calidad El montaje se efectúa con andamios (coste y tiempo) Tiempo elevado de montaje Calidad del montaje difícil de controlar Los materiales se deben almacenar en obra Montantes sin capacidad de absorción de grandes movimientos horizontales Sellado de juntas en obra, no controlable Paneles de relleno con juntas de goma, posibilidad de entrada de agua Fijación del vidrio desde el exterior Corte y montaje de perfiles no a 90º: difícil y con pobre resultado final

1. Cómo funciona una fachada ligera

Conceptos:







Fachada colgada (no apoyada) Dilatación vertical entre plantas (doble travesaño) Dilatación horizontal entre semi-montantes Ajuste fachada – estructura: anclaje sobre el forjado Cargas: viento, peso propio, sobrecarga de uso Vidrio no colaborante (relleno)

B.

Sistema de fachada modular

1. Cómo funciona una fachada ligera Ventajas:















Solución arquitectónica flexible Atrae a fachadistas de calidad No necesita andamios (ahorro de tiempo / coste) Montado en taller (calidad / rapidez) Evita que el montaje sea el cuello de botella Buen control de calidad en la fabricación Reduce el control de calidad en obra No necesita almacenamiento en obra Admite movimientos mayores en las juntas Estanqueidad entre paneles muy eficaz Incorpora carriles de guiado de la góndola de limpieza Acceso desde el interior para el cambio de vidrio

Inconvenientes:

B. Sistema de fachada modular








Pocos suministradores Coste de suministro más alto (no siempre) Mayor tiempo de proyecto y pre-entrega Requiere mano de obra más especializada Planificación del transporte y de la grúa para descargar y elevar los paneles en obra.

1. Cómo funciona una fachada ligera

1. Cómo funciona una fachada ligera

1. Cómo funciona una fachada ligera

Componentes: 1. 2.

3. 4.

5. 6. 7.

8. 9.

C.

Estructura principal Estructura soporte del cerramiento:
Muros de ladrillo o bloques
Estructura metálica Barrera de vapor Aislamiento
Lana de roca
Poliuretano proyectado Membrana traspirable (opcional) Estructura auxiliar de los paneles Paneles de junta abierta (rain screen)
Aluminio
Acero inoxidable o lacado
Composites
Piedra, resina, fibrocemento, otros Remates de evacuación de agua infiltrada Juntas entre paneles: abiertas

Sistema de paneles con junta abierta

1. Cómo funciona una fachada ligera Componentes: 1. 2.

3.

4.

5.

D.

Sistema de vidrio estructural

Estructura principal Estructura soporte del cerramiento :
Pilar metálico
Bielas
Montantes de vidrio Nudos de fijación del vidrio:
Araña
Rótula Vidrio:
Monolítico, laminado o doble acristalamiento
Templado con HST Sellado con silicona neutra

1. Cómo funciona una fachada ligera Sistema de vidrio estructural

Oficinas de Endesa en Madrid. KPF + Rafael de la Hoz

2. Problemas más frecuentes en los muros cortina

1.

Compatibilidad de movimientos estructura fachada 2. Resistencia última y de servicio 3. Exceso de iluminación (deslumbramiento) 4. Pérdidas de calor en invierno 5. Ganancias de calor en verano 6. Estanqueidad al agua 7. Permeabilidad al aire 8. Aislamiento acústico 9. Comportamiento al fuego 10. Seguridad, mantenimiento y durabilidad

3.1 Compatibilidad de movimientos estructura - fachada Deformaciones y movimientos de la estructura principal (caso stick system):




Flexión del forjado entre apoyos: cargas diferenciales Giro en el plano de fachada: el vidrio entra en carga Dilatación térmica lateral: previsión

3.1 Compatibilidad de movimientos estructura - fachada Deformaciones y movimientos de la estructura principal (caso fachada modular):




Flexión del forjado entre apoyos: travesaño de dilatación vertical Desplazamiento de los paneles fijados a un forjado deformado Diagrama de anclajes y sus movimientos

3.1 Compatibilidad de movimientos estructura - fachada Tipos de anclaje: caso stick system





Anclaje frontal, por encima o bajo el forjado Anclaje en doble T, anclaje en L Anclaje visto / oculto Dimensiones y tolerancias de movimiento

3.1 Compatibilidad de movimientos estructura - fachada Tipos de anclaje: caso paneles





Anclaje en placa o cajón, por encima del forjado Sistemas modulares: más libertad de movimientos en tres dimensiones Anclaje colgado de una placa: nivelación y grados de movimiento Anclaje directo de vidrio sobre estructura metálica: riesgos

3.2. Resistencia última y de servicio

Peso propio:






Muro cortina:
el peso del vidrio más 7 – 10 kg / m2
peso del vidrio: espesor en mm x 2,5 = kg/m2 Atención a paneles opacos, protección contra el fuego, piedra o lamas de vidrio. Pasarelas exteriores o doble piel: cálculo detallado de las acciones (cortante, momento, axil)

Sobrecargas:








De viento De nieve sobre cubiertas y aleros De uso: mantenimiento sobre cubiertas o pasarelas (120 kg/m2 o superior) Elementos especiales: carriles de góndola de limpieza Cargas por dilatación térmica: el proyecto debe evitarlas, pero a veces existen.

3.2. Resistencia última y de servicio Cargas de viento:

B.

A.

Presión externa en función de las caras y la pendiente

Presión externa en un edificio rectangular

C.

Presión interna en función de las aperturas

3.2. Resistencia última y de servicio D.

Presión interna en función de las aperturas

1/ aperturas a barlovento

2/ aperturas laterales

Cargas de viento según el CTE db SE1:






Cálculo estático o dinámico (coeficiente Cd) Presión dinámica de referencia de la zona ( qref) Coeficiente de exposición (Ce(z))




depende del terreno y de la altura del edificio




Coeficiente de presión externa (Cpe)




Coeficiente de presión interna (Cpi)








depende de la forma del edificio y varía para cada orientación depende del número de huecos y de su posición en fachada

Fórmula de la carga de viento sobre fachadas (cálculo estático):

Fw = Cd x qref x Ce(z) x (Cpe – Cpi)

3/ aperturas a sotavento

3.2. Resistencia última y de servicio

Deformaciones en montantes:






Muro cortina de montantes y travesaños Cada montante se comporta como una viga bi-apoyada sin límites de rotación en los extremos. Queremos conocer la relación entre deformación máxima en el centro del vano y la inercia del montante.

fmax = (5 / 384) (Q x L4 / E x I) Módulo de Young

Inercia Ix

Fórmula con apoyo semi-empotrado:




Un apoyo simple (inferior) y un empotramiento (superior)

fmax = (1 / 185) (Q x L4 / E x I) fmax: la menor entre L/200 y 15mm (EN 13116), Así podemos obtener Ix en los dos casos. En el ejemplo, W = 1,5 kN/m2; Q= W x l = 1,95 kN/m; L= 4 m; L/200= 20mm; E= 70x103 N/mm2 (aluminio 6063) Por lo que fmax = 15 mm Y finalmente obtenemos:

Ix (bi-apoyado) = 629 cm4

Ix (semi-empotrado) = 261cm4

3.2. Resistencia última y de servicio Deformaciones de los travesaños:

1. 2.

Carga horizontal: viento, idem caso montantes. Carga vertical: el peso propio del vidrio:
Posición de cargas: en 2 puntos, a L/10 de cada esquina.




Deformación vertical admisible: L/500, máximo 3mm (EN 13116)




Formula simplificada para calcular la inercia Iy con travesaños de aluminio (fmax = 3mm)

Iy = 0,058 x Q/2 x L3

Deformación admisible del vidrio:





Vidrio simple: L/200, máximo 10mm Vidrio doble: L/300, máximo 8mm

3.3 a 3.5. Luminosidad frente a control térmico

W/m2ºK

%

7

3

40 30

2

20 1

10

E jo ba

ba

jo

ri o

em

+

is

tr i

ga

iv o

pl

e bl

coeficiente K

s

0 e

0

v id

•

expresa el porcentaje de luz visible que atraviesa el cerramiento acristalado es mejor cuanto más alto, hay confort a partir del 50%

50

do

•

60

ri o

3 Transmisión luminosa (%)

4

v id

•

expresa el porcentaje de radiación solar que atraviesa el cerramiento (ganancias de calor en verano, del exterior al interior) es mejor cuanto más bajo

70

e

•

5

pl

2 Factor solar, g (%)

80

s im

•

expresa la cantidad de energía calorífica que atraviesa un cerramiento (pérdidas de calor en invierno, del interior al exterior) es mejor cuanto más bajo

ri o

•

90

6

v id

1 Coeficiente U (W/m2ºK)

100

Factor Solar

Tr Luminosa

3.6. Estanquidad al agua

Concepto de estanquidad: pantalla de lluvia (rain screen principle)






El agua atraviesa un cerramiento por la presencia de 3 factores simultáneos: 1/agua 2/ una abertura 3/ una fuerza que mueva el agua a través de la apertura Si eliminamos uno de los factores, no hay entrada de agua. Conceptos a considerar: diseño de la junta abierta, goterón, cámara ecualizada, barrera estanca interior, evacuación del agua infiltrada en la cámara intermedia

3.6. Estanquidad al agua Concepto de estanquidad: evacuación interior del agua







Encuentro travesaño montante con drenaje de agua del travesaño a las canales de evacuación vertical en el montante Sellado o estanqueidad del encuentro travesaño / montante

3.7 y 3.8. Ventilación y aislamiento acústico

3.7 Ventilación • •

En muros cortina de una sola piel no es siempre posible. Fácil en doble piel: usuario satisfecho

3.8 Aislamiento acústico •

•

Se puede mejorar con pantallas exteriores y carpinterías muy poco permeables. Depende mucho de la masa del vidrio

Postdamer Platz 1, Berlín Hans Kolhoff (2000)

3.9. Comportamiento a fuego Pasos de forjado. Exigencias: • • • •

Aislamiento acústico Aislamiento antifuego Dilatación vertical Protección del anclaje

Soluciones: • • • • •

panel ciego de paso de forjado o vidrio pasante, con trasdós ventilado RF 90: Promatect H 8mm + lana de roca 50mm RF 180: Promatect H 15mm + lana de roca 100mm Fijación del vidrio con acero inox Chapa parapastas

3.10 Seguridad, mantenimiento y durabilidad 1. Análisis de seguridad anti explosión




Elementos despiezados: estudio de tensiones Diseño de anclajes antibomba: absorción de impactos Presión sobre el vidrio y posición de los anclajes

3.10 Seguridad, mantenimiento y durabilidad

2 Mantenimiento • •

muros cortina en altura: góndola exterior ejemplo OK: Ciudad de la Justicia Barcelona. Todo se limpia desde dentro

3 Durabilidad: Ciclo de vida del producto •

análisis del consumo total de energía desde la fabricación de materiales hasta su reciclado tras vida útil. Ejemplo: renovación Edificio Windsor

4. Ensayos y normativa de aplicación Norma de producto UNE EN 13830. Ensayos sucesivos:









Ensayo de permeabilidad al aire EN 12153 Ensayo de estanqueidad bajo presión estática EN 12154 Ensayo de resistencia estructural al viento, EN 13116/2001 2º ensayo de permeabilidad 2º ensayo de estanqueidad bajo presión estática Ensayo de estanqueidad bajo presión dinámica

Conclusiones









Diseño estructural robusto Anclajes y conexiones durables Análisis de comportamiento térmico Previsión de cargas y movimientos Adecuada selección de materiales Diseño de detalles con un objetivo:

Asegurar un buen comportamiento de la fachada ligera