Los sistemas de vidrio con fijación puntual que cumplen con este requisito arquitectónico son especialmente populares en accesos a nivel del suelo o áreas públicas. Los recientes avances tecnológicos han permitido el uso de adhesivos de alta resistencia para fijar estas grandes piedras pómez a los accesorios sin necesidad de perforar el vidrio.
La ubicación típica en el suelo aumenta la probabilidad de que el sistema deba actuar como capa protectora para los ocupantes del edificio, y este requisito supera o incluso supera los requisitos típicos de carga de viento. Se han realizado algunas pruebas en el sistema de fijación puntual para perforación, pero no en el método de unión.
El propósito de este artículo es registrar una prueba de simulación utilizando un tubo de choque con cargas explosivas para simular una explosión y simular el impacto de una carga explosiva sobre un componente transparente adherido. Estas variables incluyen la carga de explosión definida por la norma ASTM F2912 [1], que se aplica sobre una placa delgada con un sándwich de ionómero SGP. Esta investigación es la primera en cuantificar el potencial rendimiento explosivo para pruebas a gran escala y diseño arquitectónico. Se fijan cuatro accesorios TSSA de 60 mm (2,36 pulgadas) de diámetro a una placa de vidrio de 1524 x 1524 mm (60 x 60 pulgadas).
Los cuatro componentes sometidos a una presión de 48,3 kPa (7 psi) o inferior no dañaron ni afectaron el TSSA ni el vidrio. Cinco componentes se sometieron a una presión superior a 62 kPa (9 psi), y cuatro de ellos presentaron rotura del vidrio, lo que provocó que este se desplazara de la abertura. En todos los casos, el TSSA permaneció adherido a los herrajes metálicos y no se detectaron fallos de funcionamiento, adherencias ni uniones. Las pruebas han demostrado que, de acuerdo con los requisitos de la norma AAMA 510-14, el diseño del TSSA probado puede proporcionar un sistema de seguridad eficaz bajo una carga de 48,3 kPa (7 psi) o inferior. Los datos generados aquí pueden utilizarse para diseñar el sistema TSSA de modo que cumpla con la carga especificada.
Jon Kimberlain es el experto en aplicaciones avanzadas de las siliconas de alto rendimiento de Dow Corning. Lawrence D. Carbary es un científico especializado en la industria de la construcción de alto rendimiento de Dow Corning e investigador de siliconas y ASTM de Dow Corning.
La fijación estructural de silicona a paneles de vidrio se ha utilizado durante casi 50 años para mejorar la estética y el rendimiento de los edificios modernos [2] [3] [4] [5]. Este método de fijación permite lograr una pared exterior lisa y continua con alta transparencia. La búsqueda de una mayor transparencia en la arquitectura impulsó el desarrollo y uso de muros de malla de cables y muros exteriores atornillados. Los edificios emblemáticos con un diseño arquitectónico complejo incorporarán la tecnología más moderna y deberán cumplir con los códigos y normas locales de construcción y seguridad.
Se ha estudiado el adhesivo estructural de silicona transparente (TSSA) y se ha propuesto un método para fijar el vidrio con pernos en lugar de taladrar agujeros [6] [7]. Esta tecnología de adhesivo transparente, con resistencia, adhesión y durabilidad, posee una serie de propiedades físicas que permiten a los diseñadores de muros cortina diseñar el sistema de conexión de una manera única y novedosa.
Los accesorios redondos, rectangulares y triangulares que cumplen con las normas estéticas y de rendimiento estructural son fáciles de diseñar. El TSSA se cura junto con el vidrio laminado que se procesa en un autoclave. Tras retirar el material del ciclo de autoclave, se puede completar la prueba de verificación completa. Esta ventaja de garantía de calidad es exclusiva del TSSA, ya que permite obtener información inmediata sobre la integridad estructural del conjunto.
Se han estudiado la resistencia al impacto [8] y el efecto de absorción de impactos de los materiales de silicona estructural convencionales [9]. Wolf et al. proporcionaron datos generados por la Universidad de Stuttgart. Estos datos muestran que, en comparación con la velocidad de deformación cuasiestática especificada en la norma ASTM C1135, la resistencia a la tracción del material de silicona estructural se encuentra a una velocidad de deformación máxima de 5 m/s (197 in/s). La resistencia y la elongación aumentan. Esto indica la relación entre la deformación y las propiedades físicas.
Dado que el TSSA es un material altamente elástico con mayor módulo y resistencia que el silicona estructural, se espera que presente el mismo rendimiento general. Si bien no se han realizado pruebas de laboratorio con altas tasas de deformación, cabe esperar que la alta tasa de deformación en la explosión no afecte la resistencia.
El vidrio atornillado ha sido probado, cumple con las normas de mitigación de explosiones [11] y se exhibió en el Día del Rendimiento del Vidrio de 2013. Los resultados visuales demuestran claramente las ventajas de fijar el vidrio mecánicamente tras su rotura. Para sistemas con fijación puramente adhesiva, esto representará un desafío.
El marco está fabricado con un perfil de acero estándar americano de 151 mm de profundidad x 48,8 mm de ancho x 5,08 mm de espesor (6” x 1,92” x 0,20”), comúnmente llamado perfil C de 6” x 8,2#. Los perfiles C están soldados en las esquinas, y en las esquinas se suelda una sección triangular de 9 mm de espesor, retranqueada respecto a la superficie del marco. Se perforó un orificio de 18 mm en la placa para facilitar la inserción de un perno de 14 mm de diámetro.
Los herrajes metálicos TSSA con un diámetro de 60 mm (2,36 pulgadas) se encuentran a 50 mm (2 pulgadas) de cada esquina. Aplique cuatro herrajes a cada pieza de vidrio para lograr una simetría total. La característica única de TSSA es que se puede colocar cerca del borde del vidrio. Los accesorios de perforación para la fijación mecánica en vidrio tienen dimensiones específicas a partir del borde, que deben incorporarse al diseño y perforarse antes del templado.
El tamaño cercano al borde mejora la transparencia del sistema terminado y, al mismo tiempo, reduce la adherencia de la junta en estrella debido al menor torque típico. El vidrio seleccionado para este proyecto consiste en dos capas de 6 mm (1/4″) de vidrio templado transparente de 1524 mm x 1524 mm (5′ x 5′), laminadas con una película intermedia de ionómero Sentry Glass Plus (SGP) de 1,52 mm (0,060″).
Se aplica un disco de TSSA de 1 mm (0,040 pulgadas) de espesor a un accesorio de acero inoxidable imprimado de 60 mm (2,36 pulgadas) de diámetro. La imprimación, diseñada para mejorar la durabilidad de la adhesión al acero inoxidable, consiste en una mezcla de silano y titanato en disolvente. El disco metálico se presiona contra el vidrio con una fuerza medida de 0,7 MPa (100 psi) durante un minuto para humedecerlo y lograr el contacto. Se colocan los componentes en un autoclave que alcance 11,9 bar (175 psi) y 133 °C (272 °F) para que el TSSA alcance el tiempo de remojo de 30 minutos necesario para el curado y la adhesión en el autoclave.
Una vez finalizado y enfriado el autoclave, inspeccione cada conexión del TSSA y apriétela a 55 Nm (40,6 pies-libra) para obtener una carga estándar de 1,3 MPa (190 psi). Los accesorios para el TSSA son suministrados por Sadev y se identifican como accesorios R1006.
Ensamble el cuerpo principal del accesorio al disco de curado sobre el vidrio y bájelo al marco de acero. Ajuste y fije las tuercas de los pernos de modo que el vidrio exterior quede a ras con la parte exterior del marco de acero. La junta de 13 mm x 13 mm (1/2″ x ½”) que rodea el perímetro del vidrio se sella con una estructura de silicona de dos partes para que la prueba de carga de presión pueda comenzar al día siguiente.
La prueba se realizó con un tubo de amortiguación en el Laboratorio de Investigación de Explosivos de la Universidad de Kentucky. El tubo amortiguador está compuesto por un cuerpo de acero reforzado, capaz de instalar unidades de hasta 3,7 mx 3,7 m en la cara.
El tubo de impacto se acciona colocando explosivos a lo largo de su longitud para simular las fases positiva y negativa de la explosión [12] [13]. Coloque todo el conjunto de vidrio y marco de acero en el tubo amortiguador para realizar la prueba, como se muestra en la Figura 4.
Se instalaron cuatro sensores de presión dentro del tubo de choque, lo que permite medir con precisión la presión y el pulso. Se utilizaron dos cámaras de video digitales y una cámara réflex digital para grabar la prueba.
La cámara de alta velocidad MREL Ranger HR, ubicada cerca de la ventana exterior del tubo de choque, capturó la prueba a 500 fotogramas por segundo. Se colocó un registro láser de deflexión de 20 kHz cerca de la ventana para medir la deflexión en el centro de esta.
Los cuatro componentes de la estructura se probaron nueve veces en total. Si el vidrio no sale de la abertura, se debe volver a probar el componente bajo mayor presión e impacto. En cada caso, se registran los datos de presión objetivo, impulso y deformación del vidrio. Posteriormente, cada prueba se clasifica según la norma AAMA 510-14 [Directrices voluntarias del sistema de festestración para la mitigación de riesgos de explosión].
Como se describió anteriormente, se probaron cuatro conjuntos de marcos hasta que se retiró el vidrio de la abertura del puerto de granallado. El objetivo de la primera prueba es alcanzar 69 kPa con un pulso de 614 kPa-ms (10 psi A 89 psi-ms). Bajo la carga aplicada, la ventana de vidrio se rompió y se desprendió del marco. Los accesorios de punta Sadev hacen que el TSSA se adhiera al vidrio templado roto. Al romperse, el vidrio templado se desprendió de la abertura tras una deflexión de aproximadamente 100 mm (4 pulgadas).
Bajo condiciones de carga continua creciente, el marco 2 se probó tres veces. Los resultados mostraron que la falla no se produjo hasta que la presión alcanzó los 69 kPa (10 psi). Las presiones medidas de 44,3 kPa (6,42 psi) y 45,4 kPa (6,59 psi) no afectaron la integridad del componente. Bajo la presión medida de 62 kPa (9 psi), la deflexión del vidrio provocó la rotura, dejando la ventana de vidrio en la abertura. Todos los accesorios TSSA se fijan con vidrio templado roto, como se muestra en la Figura 7.
Bajo condiciones de carga continua creciente, el marco 3 se probó dos veces. Los resultados mostraron que la falla no ocurrió hasta que la presión alcanzó el objetivo de 69 kPa (10 psi). La presión medida de 48,4 kPa (7,03 psi) no afectará la integridad del componente. La recopilación de datos no permitió detectar deflexión, pero la observación visual del video mostró que la deflexión de la prueba 3 del marco 2 y la prueba 7 del marco 4 fueron similares. Bajo la presión de medición de 64 kPa (9,28 psi), la deflexión del vidrio medida a 190,5 mm (7,5″) resultó en la rotura, dejando la ventana de vidrio en la abertura. Todos los accesorios TSSA se fijan con vidrio templado roto, al igual que en la Figura 7.
Con una carga continua creciente, el marco 4 se probó tres veces. Los resultados mostraron que la falla no se produjo hasta que la presión alcanzó el valor objetivo de 10 psi por segunda vez. Las presiones medidas de 46,8 kPa (6,79) y 64,9 kPa (9,42 psi) no afectarán la integridad del componente. En la prueba n.° 8, se midió que el vidrio se doblaba 100 mm (4 pulgadas). Se espera que esta carga provoque la rotura del vidrio, pero se pueden obtener otros datos.
En la prueba n.° 9, la presión medida de 65,9 kPa (9,56 psi) desvió el vidrio 190,5 mm (7,5″) y provocó su rotura, dejando la ventana de vidrio en la abertura. Todos los accesorios de TSSA están fijados con el mismo vidrio templado roto que se muestra en la Figura 7. En todos los casos, los accesorios se pueden retirar fácilmente del marco de acero sin daños visibles.
El TSSA de cada prueba permanece inalterado. Tras la prueba, cuando el vidrio permanece intacto, no se observan cambios visibles en el TSSA. El video de alta velocidad muestra cómo el vidrio se rompe en la mitad del tramo y luego sale por la abertura.
De la comparación entre la falla del vidrio y la ausencia de falla en las Figuras 8 y 9, es interesante notar que el modo de fractura del vidrio ocurre lejos del punto de unión, lo que indica que la parte no adherida del vidrio ha alcanzado el punto de flexión, que se acerca rápidamente. El punto de rendimiento frágil del vidrio es relativo a la parte que permanece adherida.
Esto indica que, durante la prueba, es probable que las placas rotas de estas piezas se muevan bajo fuerzas de corte. Combinando este principio con la observación de que el modo de fallo parece ser la fragilización del espesor del vidrio en la interfaz adhesiva, a medida que aumenta la carga prescrita, se debería mejorar el rendimiento aumentando el espesor del vidrio o controlando la deflexión por otros medios.
La prueba 8 del marco 4 fue una grata sorpresa en las instalaciones. Aunque el vidrio no sufrió daños, por lo que se pudo volver a probar el marco, el TSSA y las tiras de sellado circundantes aún resistieron esta gran carga. El sistema TSSA utiliza cuatro fijaciones de 60 mm para sujetar el vidrio. Las cargas de viento de diseño son cargas vivas y permanentes, ambas de 2,5 kPa (50 psf). Este diseño moderado, con una transparencia arquitectónica ideal, presenta cargas extremadamente altas y el TSSA permanece intacto.
Este estudio se realizó para determinar si la adhesión adhesiva del sistema de vidrio presenta riesgos o defectos inherentes en cuanto a los requisitos básicos de rendimiento del arenado. Obviamente, un sistema de accesorios TSSA simple de 60 mm se instala cerca del borde del vidrio y mantiene su rendimiento hasta su rotura. Cuando el vidrio está diseñado para resistir roturas, el TSSA es un método de conexión viable que puede proporcionar cierto grado de protección, manteniendo al mismo tiempo los requisitos de transparencia y apertura del edificio.
Según la norma ASTM F2912-17, los componentes de ventana probados alcanzan el nivel de riesgo H1 en el nivel estándar C1. El accesorio Sadev R1006 utilizado en el estudio no se vio afectado.
El vidrio templado utilizado en este estudio es el punto débil del sistema. Una vez roto, el TSSA y la tira de sellado circundante no pueden retener una gran cantidad de vidrio, ya que quedan pequeños fragmentos de vidrio adheridos al material de silicona.
Desde el punto de vista del diseño y el rendimiento, el sistema adhesivo TSSA ha demostrado proporcionar un alto nivel de protección en componentes de fachada de grado explosivo en el nivel inicial de indicadores de rendimiento explosivo, lo cual ha sido ampliamente aceptado por la industria. La fachada probada muestra que, cuando el riesgo de explosión se encuentra entre 41,4 kPa (6 psi) y 69 kPa (10 psi), el rendimiento en el nivel de riesgo es significativamente diferente.
Sin embargo, es importante que la diferencia en la clasificación de peligro no se deba a la falla del adhesivo, como lo indica el modo de falla cohesiva del adhesivo y los fragmentos de vidrio entre los umbrales de peligro. Según las observaciones, el tamaño del vidrio se ajusta adecuadamente para minimizar la deflexión y evitar la fragilidad debido a una mayor respuesta al cizallamiento en la interfaz de flexión y fijación, lo cual parece ser un factor clave en el rendimiento.
Es posible que los diseños futuros puedan reducir el nivel de riesgo bajo cargas más elevadas aumentando el espesor del vidrio, fijando la posición de la punta con respecto al borde y aumentando el diámetro de contacto del adhesivo.
[1] ASTM F2912-17 Especificación estándar de fibra de vidrio, vidrio y sistemas de vidrio sujetos a cargas de gran altitud, ASTM International, West Conshawken, Pensilvania, 2017, https://doi.org/10.1520/F2912-17 [2] Hilliard, JR, Paris, CJ y Peterson, CO, Jr., “Vidrio sellador estructural, tecnología de sellado para sistemas de vidrio”, ASTM STP 638, ASTM International, West Conshooken, Pensilvania, 1977, pág. 67- 99 páginas. [3] Zarghamee, MS, TA, Schwartz y Gladstone, M., “Rendimiento sísmico del vidrio de sílice estructural”, Building Sealing, Sealant, Glass and Waterproof Technology, Volumen 1. 6. ASTM STP 1286, JC Myers, editor, ASTM International, West Conshohocken, Pensilvania, 1996, págs. 46-59. [4] Carbary, LD, “Revisión de la durabilidad y el rendimiento de los sistemas de ventanas de vidrio estructural de silicona”, Glass Performance Day, Tampere, Finlandia, junio de 2007, Actas de la conferencia, páginas 190-193. [5] Schmidt, CM, Schoenherr, WJ, Carbary LD y Takish, MS, “Rendimiento de los adhesivos estructurales de silicona”, Glass System Science and Technology, ASTM STP1054, CJ University of Paris, American Society for Testing and Materials, Filadelfia, 1989, págs. 22-45 [6] Wolf, AT, Sitte, S., Brasseur, M., J. y Carbary L. D, “Adhesivo de silicona estructural transparente para la fijación de acristalamientos (TSSA). Evaluación preliminar de las propiedades mecánicas y la durabilidad del acero”, The Fourth International Durability Symposium “Construction Sealants and Adhesives”, ASTM International Magazine, publicada en línea en agosto de 2011, volumen 8, número 10 (11 de noviembre de 2011), JAI 104084, disponible en el siguiente sitio web: www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/JOURNALS/JAI/PAGES/JAI104084.htm. [7] Clift, C., Hutley, P., Carbary, LD, Adhesivo de silicona de estructura transparente, Glass Performance Day, Tampere, Finlandia, junio de 2011, Actas de la reunión, páginas 650-653. [8] Clift, C., Carbary, LD, Hutley, P., Kimberlain, J., “Vidrio de sílice estructural de nueva generación” Facade Design and Engineering Journal 2 (2014) 137–161, DOI 10.3233 / FDE-150020 [9] Kenneth Yarosh, Andreas T. Wolf y Sigurd Sitte “Evaluación de selladores de caucho de silicona en el diseño de ventanas y muros cortina a prueba de balas a altas velocidades de movimiento”, ASTM International Magazine, número 1. 6. Documento n.° 2, ID JAI101953 [10] ASTM C1135-15, Método de prueba estándar para determinar el rendimiento de adhesión a la tracción de selladores estructurales, ASTM International, West Conshohocken, Pensilvania, 2015, https://doi.org/10.1520/C1135-15 [11] Morgan, T., “Progress in Explosion-proof Bolt-Fixed Glass”, Glass Performance Day, junio de 2013, actas de la reunión, págs. 181-182 [12] ASTM F1642/F1642M-17 Método de prueba estándar para vidrio y sistemas de vidrio sometidos a altas cargas de viento, ASTM International, West Conshohocken, Pensilvania, 2017, https://doi.org/10.1520/F1642_F1642M-17 [13] Wedding, William Chad y Braden T. Lusk. “Un nuevo método para determinar la respuesta de los sistemas de vidrio antiexplosivo a cargas explosivas”. Metric 45.6 (2012): 1471-1479. [14] “Directrices voluntarias para mitigar el riesgo de explosión de los sistemas de ventanas verticales” AAMA 510-14.