A la vanguardia: innovadora pared de entrada de vidrio aislado y doblado en frío

Fecha: 9 de junio de 2022

Conferencia sobre aplicaciones arquitectónicas y estructurales de GlassLouter, Bos, Belis, Veer, Nijsse (Eds.), Universidad Tecnológica de Delft, mayo de 2018.Copyright © con los autores. Todos los derechos reservados. ISBN 978-94-6366-044-0, https://doi.org/10.7480/cgc.6.2127

Terry McDonnell - Klein & Hoffman Connor Bruns - Simpson Gumpertz & Heger Oliver Lahr - Grupo Roschmann Patrice Couret - Grupo Roschmann

El propietario de una torre de oficinas comerciales de 24 pisos de la década de 1970 en Ottawa, Canadá, buscó rejuvenecer su vestíbulo principal con una nueva pared de entrada de vidrio. El propósito del muro es proporcionar una entrada grandiosa y notable para la remodelación de un podio comercial en una vía principal. El diseño final presentaba una pared de aletas de vidrio curvada de 12 m de alto por 35 m de largo. La altura del muro se divide en dos tramos. El primero es un tramo de 9 m de altura entre la planta baja y una terraza del tercer piso que proporciona al edificio principal una nueva entrada frontal, que incluye un espacio de doble altura. La segunda es una balaustrada en voladizo de 3 m de altura que crea una nueva terraza en el tercer piso.

Las aletas de vidrio entre la terraza de planta baja y tercer piso son paneles continuos de triple laminación sin empalmes. Los paneles curvos tienen un radio de curvatura de 30 m y cuentan con una frita cerámica para prevenir el impacto de aves y promover la sensibilidad ambiental. Además, los paneles son unidades de vidrio aislante (IGU) con un revestimiento de baja emisividad (low-e) para cumplir con los estándares energéticos de la ciudad de Ottawa y el confort interior esperado de los espacios comerciales y de oficinas de primer nivel dentro de la ciudad. Además, los paneles de vidrio se apoyan en puntos discretos, por lo que el equipo utilizó una resina compuesta como laminado para las luces interiores y exteriores para mantener el radio de curvatura doblado en frío.

“Avanzando en la curva” es lo que dice el anuncio afuera del edificio de oficinas Clase A recientemente remodelado en 160 Elgin Street en Ottawa, Canadá. El edificio es un edificio de oficinas de 26 pisos cerca de las principales atracciones gubernamentales, comerciales y de museos que incluye un podio comercial de dos pisos y un nivel de estacionamiento subterráneo. Recientemente, el propietario decidió remodelar completamente el podio comercial e incluir una nueva gran entrada para anunciar el espacio interior mejorado en conjunto con Ottawa 2017, una celebración del 150 aniversario de Canadá como nación. El arquitecto imaginó una entrada transparente que sería una "joya transparente única" para la ciudad de Ottawa. La idea concebida era una entrada curva completamente transparente que se extendería de esquina a esquina del edificio y se extendería más allá de la altura del podio de dos pisos (Figura 1). Esto haría que el interior y el exterior fueran indistinguibles entre sí, mucho más con una superficie de vidrio curvada que no rompería la claridad óptica en las juntas como lo haría una entrada segmentada.

El equipo de diseño de paredes de vidrio incluye al arquitecto (Petroff Partnership Architects) y al ingeniero de vidrio (Simpson Gumpertz & Heger). El equipo de construcción incluye al contratista general (EllisDon), el contratista de vidrios especiales (Roschmann Group) y el ingeniero especializado (RJC). El contratista de vidrios especiales contrató a Schollglas como fabricante de vidrio y para los paneles de vidrio exteriores. Simpson Gumpertz & Heger (SGH) y Roschmann colaboraron ampliamente para lograr los objetivos establecidos por el propietario del edificio (H&R REIT) y el arquitecto.

La entrada de vidrio mide aproximadamente 35 m de longitud de cuerda y 12 m de alto, e incluye un radio de curvatura exterior de 30 m (Figura 2). El concepto inicial incluía aletas de vidrio cada 2340 mm que sostendrían los paneles de vidrio del suelo y resistirían las cargas del viento entre el nivel de la plaza de la planta baja y la azotea del tercer piso. El diseño se desarrolló para incluir una pared de pantalla de vidrio curvo de casi 3 m de altura sobre el tercer piso que permitiría el acceso público al techo para el inquilino principal en el tercer piso. La pared del panel de vidrio curvo tendría que pasar volando por la losa del tercer piso para que apareciera como una única característica de diseño curvo tanto por encima como por debajo del tercer piso.

Los conceptos de diseño iniciales contemplaban cuatro niveles de paneles curvos de unidades de vidrio aislante (IGU) de aproximadamente 2740 mm por 2340 mm. A medida que avanzaba el diseño, los paneles de vidrio tenían que lograr algo más que una geometría curva para cumplir los objetivos del proyecto. El deseo de que la base de la pared de vidrio intersectara el nivel de la plaza (donde los huéspedes del edificio pudieran caminar hasta ella tanto en el interior como en el exterior) impulsó la necesidad de vidrio laminado en ambos lados de los paneles IGU por razones de seguridad. Después de múltiples conversaciones con el ingeniero mecánico del proyecto, quedó claro que la IGU necesitaba tanto un espacio aéreo lleno de argón como un revestimiento de baja emisividad (low-e) para cumplir con el código energético dentro de la ciudad de Ottawa.

Finalmente, al final del diseño, el propietario del edificio solicitó opciones de diseño para evitar choques con aves, con el fin de mostrar un beneficio ecológico positivo dentro del proyecto. SGH y Petroff incorporaron una frita cerámica aplicada con serigrafía en el diseño del panel curvo IGU. Las demandas de diseño a menudo competitivas en la pared, que ahora incluían vidrio curvo de alta calidad, alta transparencia, IGU energéticamente eficiente, vidrio de seguridad laminado en cada lado de la IGU, un revestimiento de baja emisividad y una frita cerámica, hicieron que el diseño , fabricación y construcción de este gran muro de entrada único en su tipo es un desafío único.

El sistema de respaldo estructural para los paneles de vidrio curvados son aletas de vidrio cargadas por gravedad. Las aletas son vigas-columnas de vidrio laminado que se soportan para cargas por gravedad en la planta baja y para cargas laterales en el tercer piso. La conexión de pasador del tercer piso incorpora un orificio ranurado vertical que permite el movimiento. Las aletas soportan la carga de gravedad de dos filas de paneles IGU curvos. Cada panel en su configuración final pesa aproximadamente 550 kilogramos. Además, las aletas deben resistir la carga del viento normal a la superficie curva de los paneles IGU. Las cargas combinadas de gravedad y viento requirieron tres láminas de vidrio laminado de 12 mm con 400 mm de profundidad. El material laminado para las aletas es la capa intermedia estructural Saflex® DG 41. La Figura 3 muestra un detalle de diseño isométrico de los paneles IGU de vidrio curvo y la aleta de vidrio.

El diseño de la pared de vidrio evolucionó desde un concepto inicial hasta dibujos de instalación muy detallados. El equipo de diseño y el propietario estudiaron varias configuraciones de vidrio y tipos de conexión durante la duración del proyecto. A continuación, describimos en detalle los desafíos de diseño más notables asociados con el cumplimiento de la visión arquitectónica y la provisión de un muro de alto rendimiento.

3.1.Conexiones ocultas

El equipo de diseño dedicó la mayor parte de su tiempo al principio del proyecto a la conexión del panel de vidrio a la aleta de vidrio. Al principio, el arquitecto deseaba una unión puntual convencional. SGH exploró la compatibilidad de este tipo de conexión con el vidrio curvo y encontró límites en la confiabilidad del espaciador alrededor de un soporte puntual. Los fabricantes de espaciadores expresaron su preocupación por la falta de pruebas de infiltración de agua en sellos con soporte puntual para sujetadores pasantes de pared de vidrio curvo. El equipo de diseño y construcción desarrolló una conexión alternativa que redujo las preocupaciones asociadas con los soportes puntuales tradicionales al ocultar las conexiones de la vista y de los elementos exteriores. Logramos esto enterrando las conexiones dentro de las juntas verticales y horizontales de los paneles de pared.

Las conexiones por gravedad evolucionaron hasta convertirse en "placas de ala" rígidas. Las placas de las alas comenzaban con una placa horizontal de 20 mm de espesor. El propósito de la placa del ala es sobresalir de la placa de captura de aletas de vidrio de acero inoxidable y crear un estante para que se asienten los paneles superiores de vidrio curvado. Esta placa de acero inoxidable se instala dentro de la intersección de una junta selladora entre cuatro paneles (Figura 4a). Las alas serían un soporte de apoyo para cada extremo de dos paneles adyacentes. La Figura 4a muestra una axonométrica explosionada de la placa del ala durante la fase de diseño. Durante la fase de dibujo de instalación, el equipo perfeccionó aún más la placa del ala añadiendo un refuerzo vertical de 12 mm, reduciendo así el espesor de la placa del ala de 20 mm a 12 mm. El refuerzo vertical está incrustado dentro de la junta vertical debajo de la placa del ala. El contratista especializado fabricó la forma de "T" usando piezas de acero inoxidable ensambladas y luego atornilló el conjunto en la placa de captura de la aleta de vidrio (Figura 4b).

Una serie de conexiones basculantes enterradas dentro de las juntas verticales transfieren las cargas de viento laterales a las aletas de vidrio. Estas palancas de acero inoxidable enganchan los lados de cada IGU en casquillos de acero inoxidable que se insertaron en los lados del panel durante la fabricación del sello de silicona de la IGU. Roschmann sugirió el sistema Raico Therm+ SI durante el proceso de desarrollo del plano de taller. Este sistema proporciona una rotura de puente térmico y permite que la junta de sellado vertical sea ligeramente más estrecha que el diseño original de SGH debido al uso de una palanca rectangular. Los botones de acero inoxidable están espaciados a no más de 400 mm a lo largo de la aleta de vidrio.

Como se muestra en la serie de diagramas e imágenes a continuación, la conexión de soporte de la placa del ala y la conexión de palanca lateral están enterradas de forma segura dentro de las juntas de sellado entre los paneles de vidrio curvados y "desaparecen de la vista" una vez que la pared está completa.

3.2.Fabricación de vidrio curvo

Al crear vidrio curvo, existen múltiples técnicas de fabricación disponibles para que las siga el equipo de diseño y construcción. Cada opción tiene beneficios y riesgos que deben explorarse a fondo antes de tomar una decisión. A continuación se muestra una lista de las técnicas de fabricación exploradas durante la fase de diseño de la pared de vidrio curvo 160 Elgin. Tenga en cuenta que los autores utilizan los términos doblar y curvar indistintamente como sinónimos.

a) Doblado y recocido en caliente: se crea un molde cuya superficie interior representa la condición final de la cara exterior del panel de vidrio. Después de calentar el panel de vidrio hasta 600 °C (1100 F), la gravedad “hundirá” el vidrio plastificado en la forma deseada definida por el molde. Después de "hundirse", el panel de vidrio se enfría lentamente para recocerlo. Un panel de vidrio curvado recocido tiene resistencia y cualidades ópticas similares al vidrio plano recocido. Los beneficios atribuidos a este proceso incluyen radios de curva más pequeños y geometrías de curvas compuestas, como las de los parabrisas de los automóviles. Los límites atribuidos a este proceso incluyen la calidad del molde y los requisitos de paneles de vidrio recocido únicamente más gruesos para lograr el resultado deseado.

b) Doblado en caliente en el horno de templado (también llamado doblado en línea): el vidrio tratado térmicamente se curva como parte del proceso de fortalecimiento térmico de manera muy similar a un panel de vidrio plano tratado térmicamente. El proceso confiere al vidrio la resistencia mecánica y térmica y el conocido comportamiento de fragmentación del vidrio tratado térmicamente o totalmente templado. Los beneficios atribuidos a este proceso son similares al proceso de Curvado y Recocido en Caliente, e incluyen vidrio tratado térmicamente. Los límites atribuidos a este proceso incluyen solo paneles de forma cilíndrica y un mayor riesgo de distorsión óptica.

c) Doblado en frío sobre un marco rígido: este tipo de doblado en frío implica el uso de una capa intermedia de PVB flexible para unir los paneles de vidrio, de modo que las láminas laminadas resultantes sean más flexibles para cargas a largo plazo y puedan doblarse en una forma más larga. una forma. Es posible laminar (esterilizar en autoclave) después de doblar el vidrio en frío. Sin embargo, la curva debe mantenerse mecánicamente en el panel durante el resto de la fabricación y en su condición final, generalmente a lo largo de los bordes curvos opuestos del panel de vidrio. Si en algún momento de su vida útil el panel de vidrio pierde su forma curva, entonces el vidrio monolítico se enderezará, o un laminado se desenrollará y también se enderezará. Este proceso se limita al vidrio tratado térmicamente porque el vidrio debe resistir tensiones residuales permanentes debidas al proceso de curvado en frío.

d) Predoblado durante la laminación: este proceso implica doblar los paneles individuales de un laminado de vidrio antes de laminarlos y posteriormente laminar esos paneles en una nueva geometría curvada permanentemente. El panel laminado terminado conserva su forma doblada después del laminado (esterilización en autoclave) sin necesidad de una estructura de soporte que ayude al vidrio a conservar su forma. Esto sólo se puede lograr con laminados muy rígidos, como un ionoplasto o un laminado a base de resina. La ventaja única del vidrio laminado precurvado es principalmente su mejor calidad óptica debido a menos distorsiones y reflejos. El radio de curvatura mínimo es aproximadamente 1500 veces el espesor del vidrio (por ejemplo, 10 mm: radio de curvatura 15 m). De manera similar a la opción de doblado en frío sobre una estructura rígida, este proceso se limita al vidrio tratado térmicamente (reforzado térmicamente o completamente templado) debido a las mayores tensiones inducidas inicialmente dentro del proceso de doblado del vidrio.

Para este proyecto, el equipo de diseño y construcción determinó que la opción de preflexión durante la laminación es el procedimiento más adecuado. El laminado que utilizamos es una resina llamada GEWE-composite® y se instala vertiéndolo entre paneles y cura, en lugar de requerir otro paso por el autoclave. El proceso de laminado y doblado podría realizarse en la planta de fabricación de vidrio inmediatamente después del tratamiento térmico.

3.3.Interacción con el Edificio Base

La nueva entrada de vidrio se extiende entre el nivel de la plaza existente (planta baja) y la nueva terraza del tercer piso. La estructura existente a nivel de la plaza es un sistema de vigas y losas de concreto reforzado convencionalmente sobre un sótano y modernizado con pilotes perforados para soportar las aletas de vidrio. La nueva estructura extendida de la terraza del tercer piso comprende vigas cónicas de acero estructural que se elevan radialmente desde el marco existente del tercer piso para soportar el nuevo espacio de la terraza y apuntalar la parte superior de las aletas de vidrio. Los detalles de la conexión superior de la aleta y la junta de expansión entre los paneles de pared IGU y los paneles de balaustrada de vidrio se adaptan a la combinación de cargas muertas superpuestas, cargas vivas y cargas de nieve que pueden ocurrir en la planta baja y la terraza del tercer piso, como así como las cargas térmicas del vidrio. Los planos de diseño especificaban orificios ranurados verticales en la conexión de las aletas de vidrio, así como una junta de expansión de 38 mm de ancho para adaptarse al movimiento previsto del edificio (Figuras 5a y 5b).

Al definir el movimiento requerido en la conexión en el tercer piso, el equipo de diseño también consideró la secuencia de construcción de la terraza del tercer piso y la carga muerta superpuesta incremental de la losa estructural, la losa superior, el sistema de balaustrada de vidrio y los adoquines de piedra. Las primeras reuniones de coordinación de la construcción incluyeron discusiones sobre la secuencia crítica, lo que resultó en la implementación de un programa de monitoreo para medir las deflexiones de la estructura base del edificio durante la secuencia de construcción.

El proceso de fabricación y construcción planteó desafíos adicionales para mantener las tolerancias especificadas del proyecto, verificar el rendimiento de la pared y adaptarse a la combinación de las condiciones de construcción existentes y la variabilidad en las tolerancias entre el vidrio estructural de alta gama y la construcción convencional.

4.1.Fabricación de los Paneles IGU

El proceso de fabricación de los paneles IGU completos fue realmente una hazaña delicada y bien planificada para el proyecto. Todo el proceso fue realizado por Schollglas en Alemania. Como se analizó anteriormente, no solo se requería que los paneles fueran curvos y una IGU, sino que también se requería que las laminaciones en ambos lados de la IGU cumplieran con los requisitos del vidrio de seguridad en la base de la pared, se requería un revestimiento de baja emisividad para cumplir con los requisitos de energía local. Los códigos y un patrón de fritado que previnieron los choques con aves fueron requeridos por el propietario del edificio por su compromiso con la gestión ecológica. La composición final del panel de vidrio se muestra a continuación, y a continuación se analiza un enfoque paso a paso para la fabricación del panel;

a) El vidrio fue fabricado por primera vez y totalmente templado.

b) Luego se aplicó el recubrimiento de baja emisividad (ClimaGuard 1.0 T de Guardian Glass, EE. UU.) a la superficie plana apropiada en lo que eventualmente sería la posición #5.

c) La frita a base de esmalte también se aplicó a la superficie plana adecuada en lo que eventualmente sería la posición #1 usando un proceso de serigrafía para proporcionar un patrón de franjas horizontales y una combinación de colores con RAL 7000, Gris Ardilla.

d) Luego se laminaron las placas de vidrio individuales para crear los conjuntos de vidrio interior y exterior que componen cada panel IGU. Las laminaciones se realizan colocando los paneles de vidrio planos y llenando la resina GEWE entre los paneles mediante un mecanismo de bombeo. Una vez llenos, los paneles se sujetan entre sí y se mueven a una plantilla precurvada. (Figura 7)

e) Cuando los paneles se acercan a la plantilla, se sujetan en un molde formado de la curvatura requerida del proyecto. Luego, la resina cura en la geometría curva. (Figura 8)

f) Se completa el proceso de laminación y curvado tanto para el conjunto interior como exterior de la IGU.

g) Las láminas laminadas tanto interior como exterior se ensamblaron en la IGU completa con relleno de argón, Edgetech Super Spacer Triseal y casquillos de acero inoxidable incrustados dentro del sello secundario que está retranqueado para las conexiones de palanca.

4.2.Maquetas

Para garantizar el logro de la impermeabilización, el rendimiento estructural y la calidad estética, el arquitecto, SGH y Roschmann realizaron una serie progresiva de maquetas para beneficio del propietario. En la primera fase de maquetas se realizó un ensamblaje de panel cuadrado de un pie (recto). Además, se pusieron a disposición del arquitecto y propietario muestras de la conexión de palanca, la placa del ala, la zapata de acero inoxidable y la conexión del pasador de la aleta inferior de vidrio para su revisión y comentario. Después de incorporar estos comentarios iniciales, se fabricó y envió al sitio del proyecto una IGU de vidrio curvo de tres pies por tres pies, completa con revestimiento de baja emisividad. Una vez más, el propietario y arquitecto revisó la maqueta e hizo comentarios y sugerencias sobre la estética. También utilizaron esta pieza para formular el patrón de fritas.

Finalmente, en un laboratorio de pruebas en Austria se construyó una maqueta de tamaño real de dos bahías verticales de la IGU de vidrio curvado y la configuración de pared de aletas.

La maqueta de tamaño real se construyó en el frente de una cámara de aire presurizado con rejillas de rociado en múltiples elevaciones frente (exterior) de la pared. El siguiente es el programa de prueba al que se sometió la maqueta de tamaño completo:

a) Precarga al 50% de la presión de diseño interna.b) Resistencia a la penetración de aire a presión estática (ASTM E283)c) Resistencia a la penetración de agua a presión estática (ASTM E331) d) Prueba de infiltración dinámica de agua (AAMA 501.1 o EN 13050)e) Viento estructural /Prueba de agua (ASTM E330 usando el suplemento NAFS/CAN/CSA A440)f) Repetir b y 3c g) Prueba de deriva entre pisos (AAMA 501.4 usando 10 ciclos)h) Repetir b, c y d.

Además de las pruebas de rendimiento estructural y de agua, el propietario y el arquitecto examinaron la maqueta en busca de calidad estética general e imperfecciones visuales. La curva del panel de la maqueta cumplió con las altas expectativas del equipo de diseño, y se requirió una ligera modificación en los extremos tangentes, que tendían a aplanarse. El propietario y el arquitecto también inspeccionaron la maqueta en busca de deficiencias en las tolerancias especificadas. El arquitecto consideró satisfactoria la nitidez de las propiedades ópticas del vidrio. Sin embargo, las líneas horizontales de frita no se alineaban de un panel a otro en la maqueta, y esto se corregiría exitosamente en el diseño final de la pared.

4.3.Tolerancias de campo y condiciones existentes

Los estudios del sitio previos a la instalación identificaron un desplazamiento del plano de 40 mm en la ubicación prevista del muro, además de la variabilidad en la elevación del bordillo de concreto. El contratista de vidrios especiales coordinó las condiciones existentes con su instalador (F&L Contracting and Consulting) para actualizar los planos de instalación de vidrio para incluir la elevación construida, las tolerancias medidas y los ajustes de campo requeridos. Los planos de instalación especificaban cuñas de acero galvanizado para la instalación en el alféizar y las jambas del panel de vidrio. Estos fueron modificados localmente en el campo de acuerdo con las condiciones del campo. Los estudios del sitio y los esfuerzos de coordinación dieron como resultado una instalación exitosa con demoras mínimas debido a condiciones imprevistas.

La pared con aletas de vidrio curvadas de 160 East Elgin se inspiró inicialmente para desarrollar una gran entrada moderna y única que combinara con la mejora de las tiendas minoristas de alta gama que se estaba llevando a cabo en el interior del edificio. Por la noche, la entrada brilla como un joyero transparente, proporcionando un elemento adicional de comodidad y seguridad a los transeúntes en la acera frente al edificio. La facilidad con la que los paneles de vidrio multicapa y las aletas se unieron durante la fabricación fue extraordinaria y se puede atribuir a la dedicación del equipo de diseño y construcción que trabajó en conjunto para hacer que cada detalle cumpliera con su propósito de diseño preciso. Para diseñar, fabricar, probar y construir una fachada transparente y de alta precisión, el equipo utilizó códigos de diseño de tres países diferentes (Canadá, Eurocódigo y Estados Unidos). El equipo de diseño y construcción demostró que una ingeniería y coordinación tan responsables se pueden realizar con un alto nivel de precisión y belleza, y completaron este proyecto transparente "a la vanguardia".

Erik Farrington de Simpson Gumpertz & Heger por su contribución en la revisión de este artículo.

TriPyramid Structures Inc. por su ayuda durante la fase de diseño de este proyecto.

[1] Representación cortesía de Petroff Partnership Architects.ASTM E283: Método de prueba estándar para determinar la tasa de fuga de aire a través de ventanas exteriores, muros cortina y puertas bajo diferencias de presión especificadas en toda la muestra. ASTM E331: Método de prueba estándar para la penetración de agua en ventanas, tragaluces, puertas y muros cortina exteriores mediante diferencia de presión de aire estática uniforme. AAMA 501.1: Prueba de penetración de agua en sistemas de fachadas y ventanas/puertas bajo presión dinámica. EN 13050: Muro Cortina - Estanqueidad - Ensayo de laboratorio en condiciones dinámicas de presión de aire y pulverización de agua. NAFS/CAN/CSA A440: Windows.