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LOS NUEVOS MATERIALES TEXTILES ESTRUCTURALES. FELIX ESCRIG. Catedrático de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla. [email protected] Avda. Reina Mercedes 2 41012 Sevilla JOSÉ SÁNCHEZ. Profesor Titular de Estructuras de la Escuela de Arquitectura de Sevilla. [email protected] Avda. Reina Mercedes 2 41012 Sevilla Enviado: Diciembre 2009. RESUMEN. Los nuevos materiales textiles de altas prestaciones se han afianzado como alternativa constructiva y ocupan todos los campos de la construcción ligera y como complemento de la construcción en general. Existe una amplia bibliografía sobre algunos materiales de uso más frecuente y muy poca de los que en este momento se utilizan en los diseños más avanzados. Se pretende hacer un repaso general en el contexto de nuevas aplicaciones. Palabras clave: Textiles estructurales, Textiles compuestos, Estructuras tensadas, Materiales sintéticos, Estructuras Ligeras. ABSTRACT. New textile fabric materials for high performances have been imposed as a constructive alternative in light and conventional construction techniques. There is a wide bibliography about the subject for most usual materials and not so much for more advanced uses in recent designs. We intend to make a general survey including the new proposals. Key words: Textile fabric, Coated Textile, Tensile structures, Synthetic materials, Light structures. 1. INTRODUCCIÓN Vamos a evitar detenernos en materiales de uso tradicional que, en su campo de aplicación, tienen un buen comportamiento y han sido extensamente utilizados, como por ejemplo las fibras vegetales y animales, entre las que destacan el lino, el algodón, el cáñamo, la lana y la seda. Con ellos se han utilizado enormes velas para uso marítimo y grandes estructuras como los dirigibles y los globos. En la actualidad los de más frecuente uso están formados por fibras de poliéster o de vidrio dispuestos en hilos que se trenzan en forma de tejido. En la bibliografía sobre textiles estructurales al hilo se le denomina yarn y consiste en fibras unidas con un ligero trenzado. Las propiedades mecánicas pueden alterarse trenzando fuertemente dos o tres hilos. El tejido más habitual es el Panamá, en que sobre una trama (warp) de hilos paralelos se cruza una urdimbre (fill) que, alternadamente pasa por encima y por debajo de los hilos de la trama. Con frecuencia se usan dos, tres o cuatro hilos de urdimbre para cada paso de trama, lo que da al tejido más consistencia y más planeidad al acabado de recubrimiento del tejido. Esto significa que la trama queda recta y la urdimbre ondulada, lo que significa que cuando tensamos transversalmente el tejido esta ondulación tiende a estirarse y a producir una deformación residual. Determinadas marcas comerciales garantizan que en el proceso de fabricación se ha estirado la trama, de modo que se minimiza este efecto. Otro tipo de tejido es el WIWK (Weft Inserted Warp Knit), en que la trama y la urdimbre están en planos independientes y conectados entre sí por el revestimiento. Es la forma de producción de los materiales americanos como alternativa a los anteriores, fundamentalmente europeos. En este caso el material es mucho más elástico y resiste lo mismo en ambas direcciones. (Fig. 12.2). Figura 1. Distintos tipos del entramado

2    En todos los casos sobre este tejido se lamina una capa de material de revestimiento por ambas caras que, en principio no va a tener propiedades estructurales, pero que cumple otras importantes funciones: · Liga la trama y la urdimbre. · Permite una cierta capacidad de trabajo a esfuerzos tangenciales. · Protege de agentes externos las fibras estructurales. · Admite aditivos contra el envejecimiento · Admite aditivos protectores contra el fuego y la suciedad · Admite colorantes. · Admite pegamentos y soldaduras para unir unas piezas a otras. La elección de unos u otros materiales depende de varias opciones: · Propiedades ambientales. · Propiedades funcionales. · Propiedades de conservación. · Propiedades de montaje. · Propiedades estructurales. · Tecnologías disponibles. · Disponibilidades económicas. Vamos a hacer una revisión general en función de cada una de estas propiedades. 2. PROPIEDADES AMBIENTALES. COLORACIÓN. Las fibras que forman la trama y la urdimbre normalmente son una malla de colores claros. El material protector de recubrimiento puede tener aspecto muy variable, desde absolutamente transparente a completamente opaco. Diversas pigmentaciones y mezclas, aparte de cambiar el comportamiento de conjunto, pueden dar lugar a una gran variedad de colores. Todos los materiales basados en PVC presentan una gama completa de colores mientras que los de fibra de vidrio sólo en diversos blancos. Últimamente se ha avanzado mucho en la carta disponible. TRANSPARENCIA. Cualquier tejido puede presentarse con cierta capacidad de transmitir en forma difusa la luz captada desde el exterior y por tanto estos materiales tienen un buen comportamiento luminoso. Dependiendo del tipo de material esta transparencia variará entre el 10% al 90%, aunque puede conseguirse completamente opaca. AISLAMIENTO. El gran problema de estos materiales es su mal comportamiento térmico y acústico ya que, por su ligereza y escaso espesor, no tienen inercia térmica o acústica. No obstante utilizando dos capas paralelas y colocando materiales interpuestos, puede mejorarse el comportamiento. El comportamiento acústico es mucho más difícil de controlar puesto que el material no presenta barreras al ruido externo e internamente es un reflector altamente eficaz. Su escasa rugosidad multiplica las reflexiones y solamente con elementos rompedores puede controlarse la difusión. Como pantallas acústicas funcionan muy bien y en tornavoces y escenarios son útiles y económicas. 3. PROPIEDADES FUNCIONALES. Aunque están relacionadas con las anteriores no se refieren al aspecto sino a parámetros de funcionamiento y cumplimiento de normativa.

3    RESISTENCIA A FUEGO. La Normativa vigente respecto a la protección contra incendios exige materiales con RF en torno a 60 y 90. Muchos de estos materiales, y fundamentalmente los más utilizados a base de PVC, no cumplen este requisito. Para poder edificar con ellos hay que demostrar que la estructura sí cumple con esos requisitos. Si de lo que se trata es de procurar un tiempo mínimo de evacuación esto puede conseguirse siempre que se cumplan ciertos requisitos: El material no debe gotear frente al fuego, no debe producir humos tóxicos al nivel de uso, no debe desplomarse sobre los usuarios. La Tabla 1 muestra algunas propiedades, entre las que se cuenta la resistencia a fuego. En muchas ocasiones el fuego abre chimeneas por la que escapan los humos tóxicos. En cualquier caso suele ser tediosa la justificación ante las autoridades del cumplimiento de la Norma de Protección contra incendios. AHORRO ENERGÉTICO. Este aspecto es imposible de cumplir en espacios cerrados, por lo que habitualmente las estructuras tensadas están abiertas y no tienen la obligación de cumplir requisitos de ahorro energético. En el caso de infladas, en que el recinto necesariamente debe ser estanco, pueden utilizarse materiales con capas de protección térmica, que existen en el mercado, ir a dobles capas o utilizar energías renovables. En cualquier caso no son soluciones óptimas más que con carácter eventual, que es la justificación que se esgrime para su uso. 4. PROPIEDADES DE CONSERVACIÓN. RESISTENCIA A LA INTERPERIE. Las características mecánicas de estos materiales varían mucho con la temperatura, la humedad y sobre todo, con la degradación que produce la acción de los rayos ultravioletas. Por ello los ensayos de laboratorio que nos permiten conocer la velocidad de degradación son fundamentales para la elección del tejido. RESISTENCIA DE LA CAPA PROTECTORA. Determina la capacidad del material de recubrimiento para conservar su protección a lo largo del tiempo. PERMEABILIDAD DE LA SUPERFICIE. Si las membranas son absolutamente impermeables tendrán buena protección a efectos de absorción de humedades. Estas son responsables de degradación química u orgánica. Pero en contrapartida dará lugar a molestas condensaciones debidas a la diferencia de temperatura y humedad entre el exterior y el interior. ESTABILIDAD DIMENSIONAL. Algunos materiales sufren los efectos de la relajación y cambian sus dimensiones con carácter permanente bajo el efecto de las cargas o cambios térmicos, lo que obliga a actuar sobre la geometría en distintas fases de su vida. FACILIDAD PARA LA LIMPIEZA. Aparte de la pérdida de apariencia, la suciedad puede ser causante de deterioro físico-químico de la cubierta al reducir su transparencia y absorber determinadas radiaciones. Hay textiles estructurales que adhieren los depósitos mientras que otros los repelen. En general, si no tienen un aditivo apropiado, el potencial eléctrico, de signo positivo, absorbe las partículas y resultan muy difíciles de eliminar incluso con agua a presión, debiendo recurrir a detergentes y frotado directo. FACILIDAD PARA SER REPARADOS. Por medio de adhesivos, soldaduras o cosidos, todos los textiles pueden ser parcheados. Pero mientras los sistemas basados en materiales sintéticos son relativamente sencillos, los basados en fibras minerales requieren sumo cuidado. En general es una buena práctica no hacer diseños que tengan que construirse en grandes paños, ya que, en este caso la reparación o sustitución tiene gran envergadura. Cuando pueda trabajarse con paños pequeños es mejor sustituir el patrón completo antes que repararlo. 5. PROPIEDADES DE MONTAJE. ESTABILIDAD DIMENSIONAL DEL TEJIDO BASE. Un material demasiado extensible o cambiante con las modificaciones ambientales será difícil de manipular y tratar con precisión. SOLDABILIDAD DE LAS PIEZAS. Puesto que todas las estructuras han de ser construidas uniendo diversos patrones, es muy importante que sus uniones puedan ser tan resistentes como el

4    material base, pues de lo contrario estaremos desperdiciando las propiedades de éste. La soldabilidad implica poder conectar las piezas por cosido, por pegado por aportación de algún adhesivo o por adherencia con calor. RESISTENCIA AL DOBLADO. Durante la etapa de montaje, los paños llegarán a la obra confeccionados y doblados en paquetes. Es muy importante que este doblado no dañe el material. Tejidos muy densos y de gran espesor o de componentes frágiles quedan eliminados de estas aplicaciones. En nuestras experiencias de uso de textiles estructurales para cubiertas móviles, en que el doblado puede producir incluso fenómenos de fatiga esta propiedad es fundamental. 6. PROPIEDADES ESTRUCTURALES.

Tabla 1. Características de distintos materiales en poliéster y en fibra de vidrio. Fig. 2- Montaje de una probeta en un ensayo de rotura unidireccional. La Tabla 1 muestra algunas propiedades de varios tipos de textiles y membranas. De ellos los más utilizados son los de fibra de poliester revestido e PVC (Policloruro de vinilo) y la fibra de vidrio recubierta de ETFE (Copolímero de Etileno y Tetrafluoretileno), en donde la relación de resistencias entre urdimbre y trama por muestra de 5 cm de ancho es la característica determinante para su uso estructural. Los ensayos principales que se efectúan para medir la resistencia son: ENSAYO UNIAXIAL A TRACCIÓN. La Fig 2 muestra la disposición que se toma para realizar este ensayo. Se expresa normalmente en N/50 mm o Kp/5cm y revela la resistencia longitudinal del tejido. El ensayo se

5    realiza hasta rotura. Sin embargo es interesante realizar este ensayo sometido a cargas cíclicas llevando la tracción hasta un 25% de la carga de rotura. Con ello obtenemos la deformación permanente a las cargas de trabajo. (Fig. 3). Este ensayo se lleva a cabo con bandas cortadas en la dirección de la urdimbre y de la trama.

c Fig. 3 Ensayo cíclico al 25% de la tensión de rotura).[Ref. xx] ENSAYO BIAXIAL A TRACCIÓN. La tensión se aplica simultáneamente en las dos direcciones. La Fig. 12.7 muestra la pieza que debe ser ensayada según las normas habituales y la Fig. 12.8 la máquina que proporciona las tracciones simultáneamente.

Figura 4. Probeta para ensayo biaxial.

Figura 5. Dispositivos para el ensayo biaxial.

El módulo de Elasticidad que se deriva de estos ensayos depende mucho de las condiciones ambientales. Así para PVC se obtienen los valores de la Tabla 1.

6    ENSAYO A RASGADO. Es un ensayo extremamente importante porque normalmente define la tensión máxima admisible. En una membrana las concentraciones locales de esfuerzos derivan rápidamente en rasgado. Por esa razón cualquier corte progresa rápidamente rompiendo hilo tras hilo. Una fórmula utilizada habitualmente a falta de ensayos es

Kn =

4·6·8·...·(2n + 2) 3·5·7·...·(2n + 1)

Siendo n el número de hilos rotos y Kn el coeficiente de mayoración de la concentración de tensiones en el borde de la rotura. En la Fig. 7 se muestran los dos tipos de ensayo que se utilizan para el ensayo de rasgado. Cuando se alcanza la tensión de rotura en este pico comienza la propagación del rasgado. Esta fórmula simplificada queda del lado de la seguridad de acuerdo con los ensayos realizados (Figura 5).

Figura 5. Coeficiente de rasgado utilizado simplificadamente y comparación con materiales reales (Hypalon con PVC).[Ref. xx] La temperatura influye bastante en la tensión de rotura por rasgado como se aprecia en la Tabla 3 para Poliéster recubierto de PVC.

  RESISTENCIA ACTUAL DE LA FÁBRICA NÚMERO DE HILOS RESISTENCIA (Kg/cm) EFICIENCIA A LOS TEJIDO TRENZADO HILOS/cm TOTALES NOMINAL 70º TEMPERATURA 70º (TRAMA/URDIMBRE) DEL TEJIDO AMBIENTE (TRAMA/URDIMBRE) (TRAMA/URDIMBRE) (Kg/cm) % (TRAMA/URDIMBRE) TIPO I TRENZADO PLANO 1/1 9/9 1,100 61.2 66.6/58.1 57.0/52.3 86/90 TRENZADO TIPO II EN CESTA 12/12 1,100 87.5 96.7/89.9 88.8/88.3 86/92 2/2 TRENZADO TIPO III EN CESTA 10.5/10.5 1,670 114.3 119.8/104.7 103.7/98.3 87/94 2/2 TIPO IV TRENZADO EN CESTA 12/12 1,670 132.7 144.5/129.0 125.7/120.0 87/93

Tabla 2. Influencia de la temperatura en la propagación del rasgado

7    RIGIDEZ A TRACCIÓN EN LOS ENSAYOS UNI Y BIAXIALES. Se obtiene aplicando las cargas en una y otra dirección. Sin embargo en el ensayo biaxial la influencia del módulo de Poisson obliga a manipular el ensayo, por ejemplo cambiando la carga de una a otra dirección. La Fig. 6 muestra las curvas obtenidas para el Poliéster con PVC y la Tabla 3 los resultados numéricos, que, como se ve en la tabla 4 depende bastante de la temperatura.

Fig. 6 Curvas tensión-deformación para el poliéster recubierto con PVC. [Ref xx] PROPORCIÓN DE CARGA (TRAMA/URDIMBRE) 1/1 y 2/1 1/1 y 5/1 1/1 y 0/1 NOTAS:

Ew en la dirección de la urdimbre

PRIMERA CARGA Ewt Eft (Kg/cm) 390.2 196.4 414.8 202.4 392.6 191.2 Ef en la dirección de la trama

20 CARGAS Ewt Eft (Kg/cm) 816.5 606.2 729.8 556.9 t espesor del textil

Tabla 3.. Rigidez longitudinal del poliéster recubierto con PVC

TEMP. VELOCIDAD ºC (mm/min) -20 3 +20

3

+80

3

DIRECCIÓN TRAMA URDIMBRE TRAMA URDIMBRE TRAMA URDIMBRE

E1 1.APLICANDO 1.QUITANDO CARGA CARGA 55.500 67.500 24.500 63.000 23.000 58.500 15.000 57.500 19.500 52.500 14.000 49.000

E10 10.APLICAN 10.QUITANDO DO CARGA CARGA 100.000 102.000 93.000 81.000 68.500 62.000 63.000 68.500 53.500 58.000 48.500 56.000

Coeficiente de presión para la carga y descarga de 1. y 10. Ciclos de carga en el intervalo de 280 a 1600 Kg/m.

Tabla 4. Influencia de la temperatura en la rigidez longitudinal para poliéster recubierto de PVC. COEFICIENTE DE POISSON. Una membrana, por su especial conformación física cambia su módulo de Poisson en función del esfuerzo en la dirección de los hilos. La influencia del módulo de Poisson es tan grande que en los ensayos uniaxials puede llegar a alcanzar el valor de 1. En general los ensayos biaxiales dan valores del 50% de los anteriores En la Fig. 7 puede verse un

8    diagrama del que puede obtenerse este coeficiente en la dirección de la trama y de la urdimbre para distintos valores de la elongación.

Fig. 7 Ensayo para determinar el módulo de Poisson mediante un ensayo uniaxial. [Ref xx] relación de cargas/load ratio (trama/ urdimbre) (warp/fill)

Primera carga / first loadig

µwf

µfw

veintea cargas / 20 loadigs

µwf

µfw

1/1

y/ and 2/1

0,130

0.259

0,055

0.074

1/1

y/ and 5/1

0,104

0.212

0,132

0.173

Tabla 5. Valores del módulo de Poisson obtenidos para ensayos biaxiales en PVC.

RIGIDEZ TANGENCIAL. Es difícil medir esta rigidez y todavía no hay ningún ensayo definido para ello. En contrapartida suele utilizarse una expresión como

2υ x 1 4 1 1 = − − + G t E 45 º t E xt E yt E xt Otro método es el de realizar el ensayo cilíndrico de la Fig.10. Los valores de la rigidez tangencial oscilan entre 1/50 y 1/100 veces los de la rigidez longitudinal.

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Fig. 10. Ensayo para medir la rigidez tangencial. Ref xx.

7. NUEVOS MATERIALES ESTRUCTURALES AVANZADOS. Desde hace algunos años se utilizan materiales sintéticos basados en polímeros o fibras minerales con prestaciones iguales o mejores a los cables de acero y con menos de sus inconvenientes. Por ejemplo, pueden evitarse los problemas de oxidación que incluso en aceros bien galvanizados o inoxidables pueden darse bajo condiciones agresivas o problemas de rigidez que en los cables de acero exigen radios de doblado muy grandes. Estos materiales que vienen siendo habituales en tendidos eléctricos o conductores y en usos marinos todavía no se han incorporado plenamente a la edificación. Cuando así lo han hecho, por ejemplo las aramidas en la Torre de Comunicaciones de Collserola en Barcelona de Norman Foster ha sido para evitar interferencias en las comunicaciones y no por sus ventajas estructurales. No obstante, en cubiertas móviles, por ejemplo los aceros resisten muy mal el desgaste mientras que los nuevos cables a partir de estos nuevos productos son especialmente adecuados. En la Figura 11 se muestran relaciones entre los distintos materiales que vamos a tratar.

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Figura 11.Relación entre rotura y alargamiento de determinadas fibras. Muchos de estos materiales tienen denominaciones comerciales y están sujetos todavía a patentes que hacen que sean suministrados por grandes multinacionales a través de aplicaciones que, usualmente, no son para la construcción. No obstante, cuando así lo permita el material, los denominaremos con el nombre genérico. 7.1. FIBRA DE POLIÉSTER. Son las primeras fibras sintéticas utilizadas extensionados sobre una base de polietileno. Fueron muy apreciadas por su ligereza y sus propiedades dieléctricas y antimagnéticas. No obstante, su 10% de alargamiento antes de la rotura, su poca resistencia a la tracción y su límite de utilización entre –35º y 55ºC han hecho su uso poco aconsejable en la edificación. 7.2. FIBRA DE POLIETILENO. Se distribuyen bajo dos nombres comerciales: ALLIED con SPECTRA® DSM con DYNEEMA® El Spectra® es una de las fibras más fuertes y a la vez más ligeras. Se trata de una fibra que en términos relativos de peso tiene una resistencia 10 veces mayor que la del acero y una fuerza específica que supera en 40 veces a la fibra de aramida. La fibra de Spectra® se fabrica con polietileno de peso molecular ultraalto que se produce mediante un proceso patentado de bobinado con gel. La fibra Spectra® es lo suficientemente ligera como para flotar y demuestra una alta resistencia a productos químicos, agua y luz ultravioleta. El Dyneema® es una fibra de polietileno de alto rendimiento que se fabrica mediante un proceso de bobinado con gel, que ofrece la máxima fuerza a la vez que un peso mínimo y una resistencia 15 veces superior a la del acero. El Dyneema® es altamente resistente al agua, sudor, olores y sustancias químicas, proporcionando una mayor vida útil al producto final. El Dyneema® es el material de fibra más fuerte del mundo y se utiliza para chalecos antibalas. Cuando se emplea en guantes, se obtiene un producto altamente flexible, confortable y que proporciona un alto rendimiento Estas fibras de alta tenacidad tienen un peso inferior a las restantes fibras, pero su bajo módulo de elasticidad y, por tanto, su falta de estabilidad dimensional bajo carga desaconsejan su uso en cables de estructuras. 7.3 FIBRA DE CARBONO Tienen cargas de rotura extraordinarias y alargamientos reducidos, lo que permite pequeñas secciones. Sin embargo, su gran rigidez la destina únicamente a aplicaciones rectilíneas sin riesgo

11    de choque o de abrasión y longitudes menores de 10 m por el coste de transporte, puesto que no pueden enrollarse en radios pequeños. 7.4. FIBRA DE ARAMIDA. Fue descubierta en 1965 en el equipo de investigadores de DUPONT y comercializada en 1972 bajo el nombre de KEVLAR®. Pasado el tiempo de la patente otras empresas las fabrican con características similares denominadas. TWARON® de la sociedad AKZO TECHNORA® de la sociedad TESJIN Tienen altas propiedades dieléctricas y son amagnéticas y no conductoras. Sin embargo tienen muy poca estabilidad a los rayos ultravioletas, lo que las hace precisar de protección. Todas estas fibras para su utilización como cables necesitan ser confeccionadas en forma de cordones que incorporan las ventajas de cada una de las fibras expuestas y que pueden mezclar varias de ellas para aprovechar las buenas propiedades de cada una. La parte resistente de los cordones utilizados es en la actualidad fundamentalmente a partir de aramidas en filamento que se pegan con productos de bajo peso y altamente flexibles. En la tabla 5 se muestra la resistencia de la combinación de hilos de Aramida y en la tabla 6 la resistencia de cordones a partir de los hilos citados. Diámetro nominal (mm) 0,75 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00

Composición

Peso Kg/m

Resistencia a rotura Kg

1x3 1x3 2x4 5x3 8x3 12x3 14x3 18x4 22x4 27x4 34x4 40x4

0,35 0,54 1,47 2,61 4,29 7,2 8,39 14,4 17,59 21,59 27,19 32

66 95 240 414 612 730 850 1470 1795 2200 2770 3265

Tabla 5. Resistencia de hilos de Aramida trenzados.

 

 

   

 

Diámetro Construcción Rendimiento Fuerza de nominal Kg/m rotura Kg (mm) 6,50 7 hilos 35 3570 8,00 7 hilos 42,39 4420 10,00 7 hilos 67,19 6850 12,00 7 hilos 97,98 10000 14,00 7 hilos 132,98 13570 16,00 7 hilos 173,58 17700 19,00 7 hilos 244,97 25000 22,00 7 hilos 327,56 33400 25,00 7 hilos 422,75 43100 28,00 7 hilos 531,93 54200   Tabla 6 Resistencia de cordones de Aramida trenzados.

12    Dada la inestabilidad de estos materiales a la luz solar es conveniente protegerlos mediante algún polímero termoplástico extrusionado. Al ser normalmente de color negro por las cargas de carbono que lleva, para mejorar su aspecto, todavía tienen una segunda cubierta con características de color y tacto adecuadas. Los productos utilizados normalmente para el recubrimiento de la aramida son: - El poliuretano - El polietileno - La poliamida - El poliéster Los cables terminados así ofrecen frente al acero las siguientes ventajas: - Entre 25 y 20% de peso con respecto al acero - Aspecto y durabilidad - Resistencias entre 1 y 54 Ton. - También responden a composiciones del tipo 7x19-1x19 o 1x37 mediante una expresión ExS. - Para productos ExS equivalentes al acero tenemos resistencias superiores. - Su alargamiento de rotura es en general de 3.5% - Aunque siguen siendo más caros que los cables galvanizados lo son menos que los inoxidables. El KEVLAR®, utilizado como tejido, puede ser recubierto con cualquiera de los protectores citados en apartados anteriores. Además de su alta resistencia una de sus principales propiedades es su resistencia a la propagación del rasgado. La Tabla 7 muestra propiedades con distintos recubrimientos. Mientras que la Fig. 16 muestra la comparación con varios materiales. Uno de los proyectos más conocidos resueltos con KEVLAR® es la Cubierta del Estadio Olímpico de Montreal (Fig. 12.33), con 40.000 m2. Este proyecto era retráctil y el material es KEVLAR® recubierto con PVC, supuestamente muy flexible (Tabla 12.25). El hecho de ser enormemente plano frente a la magnitud de las nevadas ha provocado la ruina total de la cubierta en dos ocasiones hasta que finalmente se ha cambiado la solución estructural

KEVLAR® S-181 KEVLAR® 49 TOLVAR®

TRACCIÓN 5500

RAYADO 300

11100

830

2530

600

ELONGACIÓN

1.4%

Tabla 7. Propiedades del KEVLAR con distintos recubrimientos.

RECUBRIMIENTO TEFLÓN RECUBRIMIENTO NEOPRENO CLORURO DE POLIVINILO

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®

Fibra: 1420 Denier Kevlar 49 Revestimiento: Cloruro de polivinilo plastificado, naranja/gris 2 Área total cubierta: 18.000 m Peso total del tejido: 51 Toneladas métricas Distribución del peso: 2 Total: 2.2 kg/m 2 Tejido: 1.1 kg/m 2 Revestimiento: 1.1 kg/m Espesor: 2.0 mm Anchura: 3.2 m Fig. 12. Comparación del KEVLAR con otros materiales. Tabla 8. Características del material utilizado en la cubierta de Montreal. 7.5 FIBRA DE CARBONO Suele comercializarse con alma de fibra de carbono T300 y resina Epoxi. Sustituyen a las barras de acero con el 20% de peso.(Tabla 9) BARRA DE ACERO DIÁMETRO mm 3 3.5/3.6 4.4/4.5 5 5.5/5.7 6.4/6.5 7/7.1 8.4/8.5 9.5

Ra daN 1200 1490 2100 2900 3700 4700 5700 7900 9700

ALARGAMIENTO CON 30% DE Ra % 0.25 0.25 0.28 0.35 0.37 0.35 0.35 0.36 0.36

BARRA DE CARBONO PESO gr/m 55 77 120 158 202 250 317 436 564

DIÁMETRO mm 3 4.0 4.9 5.5 6.35 (7.0) 8.0 (9.2) 10.0

Ri* daN 1271 2444 3511 4605 6112 7410 (12697) 14923

ALARGAMIENTO CON 30% DE Ra % 0.28 0.28 0.28 0.30 0.29 0.28 (0.29) 0.31

PESO gr/m 11 19 29 36 47 76 100 118

Todos los cables han sido comparados con un % de alargamiento idéntico al de la barra de acero a un 30% de su carga de rotura (Ra) * Carga de rotura máxima del anillo de carbono bajo ensayo E.P.I.

Tabla 9. Comparativa de barras de acero / barras de carbono 7.6. MALLAS DE ACERO REVESTIDAS. Todavía es una material anecdótico en la arquitectura, pero que ofrece importantes propiedades resistentes y de estabilidad, dependiendo del material de cobertura, que puede ser prácticamente cualquiera, desde el PVC al PTFP. Son materiales que resisten muy bien el corte y el impacto y tienen resistencias que van desde 2.600 a 4.000 N/mm2. El uso más conocido en la actualidad es el de neumáticos para vehículos. 7.7 PTFT SOBRE FIBRA DE VIDRIO. Se usa cuando quiere utilizarse un producto que cumple todos los requisitos normativos aunque sea de alto precio y difícil manipulación.

14    Su resistencia química, su estabilidad térmica su enorme durabilidad y su resistencia tan grande como la del acero aunque con una densidad 65% menor lo hacen el mejor de los materiales. Sus propiedades térmicas le confieren capacidad de trabajo entre 260º y –200º. Su conductividad es de 0.25-0.50 W/K*m. El PTFE es ininflamable salvo que el ambiente contenga más del 90% de oxígeno. El material no se polariza con lo que no absorbe suciedad. La Tabla 10 muestra algunas de las propiedades de este material.

Tabla 10. Distintas características de fibra de vidrio recubierta con PTFE. 7.8 HOJAS DE ETFE. El ETFE es un polímero modificado de etileno y tetrafloruoro de etileno que puede transformarse termoplásticamente para laminado en hojas que se tensan en el interior de marcos sometidos a tracción permanente, para lo que se presenta en forma de colchones (Fig. 13) El ancho de los paneles es de 3.6 m. como máximo. Pero en la actualidad se han conseguido piezas de más de 15 m. El estar montado sobre marcos da cierta rigidez a las soluciones aunque pueden conseguirse bordes flexibles (Figura 13). El ETFE se fabrica por extrusión con boquillas de la misma longitud del ancho de la pieza a fabricar y un grueso entre 50 y 250 µm. Su nombre comercial es NOWOFLON® ET-6235 que también se comercializa bajo la marca DYNEON® ET-6235. Una propiedad muy provechosa de este material es que es autolimpiante por su naturaleza antiadhesiva. La otra, quizás la más importante, es su gran transparencia, entre el 94 y l 97%, mayor que la del vidrio. Además puede colorearse y admite impresión de imágenes. Otra propiedad importante es que por ser termoplástico es reciclable y puede utilizarse para ser relaminado [Ref. 6]. En la Fig. 14 se muestra el diagrama tensión-deformación. Aunque no soporta frente al fuego ambientes con más del 25% de oxígeno, tiene un buen comportamiento térmico y está aceptado por la normativa europea con la clasificación de 0. La principal ventaja de este material es que es virtualmente transparente, y es por lo que se le usa con frecuencia. En la Tabla 11 pueden verse algunas propiedades estructurales [Ref.1].

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Figura 13. Distintos tipos de cogida de los bordes de colchones de ETFE. Figura 14. Diagrama tensión-deformación de la hoja de ETFE

PROPIEDADES DEL ETFE ASTM (American National Standards ETFE (Etilenotetrafluoruroetileno) Institute) PROPIEDADES MECÁNICAS/ MECHANICAL PROPERTIES Peso específico/Specific D792 1.74 Weight Alargamiento/ lengthening % D638 420~460 Resistencia a tracción/Ultimate tensile D638 42~47 strength (MPa) Resistencia a flexión Flexural tensile strength D790 38 (MPa) Módulo de Young/Young D638 585~654 Modulus (MPa) Espesor/ Thickness 50-150µm PROPIEDADES TÉRMICAS/TERMAL PROPERTIES °C 267 Punto de fusión/Fusion point (°F) (512) Máxima temperatura de 150 °C servicio/Maxim temperature (°F) (302) serviceability (20,000h) Clasificación ante el UL 94 V-0 fuego/Standard for fire Conductividad térmica/ Thermal conductivity Coeficiente de dilatación -5 térmica lineal 10 /°C

BTU/hr/ft2/deg F in

1.65

cal/sec/cm2,ºC/cm

5.7 x 10-4

D696

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Tabla 11. Propiedades del ETFE de acuerdo con el ASTM D 3159/ Standard Specification for Modified ETFE-Fluoropolymer Molding and Extrusion Materials El proyecto más espectacular realizado hasta el momento es el proyecto Eden de Nicholas Grimshaw con 20.000 m2 formado por cientos de hexágonos y pentágonos (Fig. 15) de 5.5 m. de lado en los que el material se ha colocado en forma de almohada como hemos citado (Fig. 16).[Ref. 2]

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Fig. 15 Esquema general del Proyecto Edén en Cornuailles. Fig. 16 Vista parcial del Proyecto Edén en Cornuailles. El proyecto reciente más espectacular es el Allianz Arena en Munich, en el que se han utilizado colchones rómbicos (Figura 17) [Ref. 7].

Figura 17. Cerramiento del Allianz Arena en Múnich con colchones rómbicos de ETFE REFERENCIAS. 1. ASTM D 3159 Standard Specification for Modified ETFE-Fluoropolymer Molding and Extrusion Materials. ASTM International 2006. 2. Barnes,M; Dichikson,M. “Widespan Roof Structures” Thomas Telford. 2000 3. Escrig, F.;Sanchez,J. “Estructura en tracción” STAR. Structural Architecture.2006 Nº 5 y 6 4. Foster, B.; Mollaert, M. Ed. “European Design Guide for Tensile Surface Structures” Tensinet. 2004. 5. IASS. “Recommendations for Air-Supported Structures” 1985. 6. Robinson-Gayle,S. et alii. “ETFE foil cushions in roof and atria” Construction and Building Materials 15 (2001) pp323-327 7. LeCuyer, A.W. “ETFE.Technology and Design” Birkäuser, Basel. 2008