Selección y caracterización de materiales para un marco novedoso

Fecha: 23 de febrero de 2023

Authors: Mercedes Gargallo, Belarmino Cordero and Alfonso Garcia-Santos

Fuente:Materiales 2021, MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/ma14081896

(Este artículo pertenece al Número Especial Avances en Construcción y Materiales de Construcción)

Los muros cortina son la fachada elegida en edificios de gran altura y un elemento indispensable de la arquitectura para una ciudad contemporánea. En los muros cortina convencionales, los paneles de vidrio simplemente están soportados por la estructura de metal que transfiere cualquier carga impuesta a la estructura del edificio. La ausencia de acción compuesta entre el vidrio y el metal da como resultado marcos profundos que sobresalen hacia el interior, ocupan un espacio valioso y provocan una interrupción visual. En respuesta al rendimiento limitado de los sistemas convencionales, se propone un innovador muro cortina unitizado integrado en el marco para reducir la profundidad estructural a una quinta parte (80 %) que permite un acabado al ras interior y gana espacio neto. El novedoso muro cortina se logra mediante la unión de un marco de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) pultruido al vidrio, lo que produce una unidad de vidrio aislante (IGU) compuesto. Este documento selecciona los marcos candidatos y los materiales adhesivos realizando pruebas mecánicas en pultrusiones de GFRP para caracterizar la resistencia y la elasticidad y en conexiones de GFRP-vidrio para identificar el módulo de falla y la resistencia. Los resultados de las pruebas de materiales se utilizan en un modelo numérico basado en computadora de un panel unificado compuesto de vidrio y GFRP para predecir el rendimiento estructural cuando se somete a cargas de viento realistas. Los resultados confirman que la reducción a un quinto es posible ya que las deflexiones admisibles están dentro de los límites. También indica que las áreas de GFRP adyacentes al soporte pueden requerir refuerzo para reducir las tensiones de corte.

Las envolventes exteriores son la imagen de cada edificio creando un componente fundamental del escenario de las ciudades. El sector de la construcción busca constantemente el desarrollo de nuevos sistemas de construcción de edificios [1]. Las envolventes tradicionales de ladrillo o de gran peso han sido sustituidas durante décadas por cerramientos ligeros, como fachadas de metal-vidrio y paredes ventiladas o ventiladas [2]. Las fachadas de metal y vidrio, conocidas como muros cortina, se construyen a partir de estructuras metálicas con los espacios rellenos de vidrio [3]. Hoy en día los muros cortina son un elemento indispensable de la arquitectura de una ciudad contemporánea [4]. Los dos sistemas principales de muros cortina están construidos con vigas y unificados [5]. El sistema construido con vigas fue el sistema de muro cortina inicial con una estructura metálica de parteluces verticales y travesaños horizontales unidos al edificio y paneles de vidrio de soporte instalados en el sitio [6].

Los sistemas de muros cortina unificados consisten en unidades de revestimiento en las que los paneles de fachada (normalmente de vidrio, metal o piedra) y los elementos estructurales metálicos (montantes y travesaños) se ensamblan previamente en la fábrica y luego se transportan al sitio y se fijan a los elementos de carga en los edificios. , normalmente mediante ménsulas prefijadas a lo largo del borde del forjado estructural. Los sistemas de muros cortina unificados son el sistema de fachada de elección en edificios de gran altura porque el ensamblaje prefabricado de las unidades garantiza una alta calidad y permite una instalación rápida sin acceso externo [7]. La generación actual de sistemas de muros cortina unificados está diseñada para transferir cargas laterales, típicamente presiones inducidas por el viento, a las losas del piso estructural [8]. Esto se logra mediante los paneles de la fachada que simplemente están soportados por los miembros del marco de la fachada que, a su vez, transfieren las cargas al cruzar entre las losas del piso.

1.1. Limitaciones de los Muros Cortina Convencionales

Debido a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica del vidrio y el metal, los sistemas de muro cortina convencionales requieren un adhesivo flexible que limite cualquier posibilidad de acción estructural compuesta entre el vidrio y el marco.

La ausencia de acción compuesta entre los paneles de vidrio y los marcos da lugar a perfiles profundos, que invaden el valioso espacio, sobresalen hacia el interior y provocan una disrupción visual. Además, los miembros del marco de la fachada a menudo están hechos de aleaciones de aluminio u otros metales con una conductividad térmica característicamente alta, lo que da como resultado una transmisión térmica significativa en los miembros del marco de la fachada. Esto se puede solucionar en parte introduciendo roturas de puente térmico en los elementos estructurales de la fachada, pero esto aumenta la complejidad y la profundidad general del muro cortina.

1.2. Lo último

Numerosas investigaciones cubren las propiedades mecánicas del polímero de refuerzo de fibra de vidrio GFRP [9,10]. Wurm [11] llevó a cabo una investigación que terminó con la construcción de tres maquetas de prueba de concepto de unidades compuestas de GFRP y vidrio con dos paneles de vidrio unidos con adhesivo a perfiles de GFRP ubicados paralelos a lo largo de la cavidad del acristalamiento. Petersen [12] persiguió un sistema de ventanas con perfiles de GFRP adheridos a una unidad de vidrio aislante (IGU) con el objetivo de lograr un comportamiento estructural compuesto y una baja transmitancia térmica. Seele [13] investigó una IGU sin marco con una barra espaciadora de cavidad unida estructuralmente a la unidad de vidrio. La viga de vidrio GFRP propuesta por Bedon et al. [14,15] tuvo como objetivo optimizar el comportamiento compuesto de una viga compuesta por dos láminas frontales de vidrio monolíticas unidas estructuralmente a un perfil de núcleo pultruido de GFRP [16]. Todos estos estudios de investigación anteriores se centraron en prototipos de prueba de concepto. Se encuentran disponibles investigaciones limitadas sobre la aplicabilidad en sistemas de muros cortina o resultados de pruebas.

El tamaño de pandeo de los nanohaces de Bernoulli-Euler comprimidos fue investigado por un mecanismo continuo no local impulsado por el estrés por Barretta et al. [17]. Además, Pinnola et al. propusieron estrategias para predecir la rigidez y las respuestas dinámicas de la nanoestructura compuesta moderna. [18]. Ansari et al. investigaron análisis no lineales de vigas laminadas reforzadas con plaquetas de grafeno funcionalmente graduadas que descansan sobre una base elástica y se basan en un modelo no local de dos fases impulsado por tensión. [19]. Sin embargo, no existen suficientes modelos analíticos o matemáticos validados de la respuesta mecánica de las unidades compuestas de GFRP-vidrio para extraer conclusiones.

En el área de la construcción se utiliza una amplia gama de adhesivos y selladores, como poliuretano, epoxis, poliamidas, copolímeros de etileno-acetato de vinilo, acrilatos, poli(acetatos de vinilo), siliconas, etc. [20]. Los adhesivos también se pueden encontrar en una amplia variedad de niveles de resistencia según la necesidad de sus aplicaciones [21]. Se estudiaron cinco adhesivos candidatos para conexiones de acero y vidrio que soportan carga. En este estudio, Overend [22] llevó a cabo pruebas mecánicas y modelos matemáticos para evaluar la viabilidad de las conexiones adhesivas. Nhamoinesu y Overend [23] llevaron a cabo un protocolo similar y estudiaron adhesivos para una unidad compuesta de acero y vidrio que se podía aplicar en un sistema de fachada. Las investigaciones anteriores sobre el adhesivo para la unión de vidrio que sirvieron de base para este estudio fueron: (a) Belis et al. [24], que estudió siliconas, poliuretanos, polímeros MS, acrilatos y epoxis para unir vidrio a metal, (b) Peters [25] que centra su investigación en adhesivos para vidrio y fibra de vidrio y (c) Blues et al. [26], que investigó la unión del vidrio y el metal, se centró en la transmisión de carga y el comportamiento ante fallas para aplicaciones de sistemas de fachadas.

1.3. Diseño propuesto

En la Figura 1 se representa un sistema de muro cortina convencional con un entramado profundo que sobresale de la unidad de acristalamiento. El sistema unitario compuesto de vidrio y GFRP propuesto se basa en un perfil E de GFRP adherido con adhesivo a lo largo de los cuatro bordes de una IGU como se muestra en la Figura 2. La ausencia del marco de metal disminuye la transmitancia térmica y el uso de un adhesivo rígido activa el comportamiento compuesto entre el vidrio y el marco de GFRP. Además, el perfil de GFRP se coloca dentro del ancho de la cavidad IGU evitando que cualquier marco sobresalga de la unidad de acristalamiento.

Se realizaron cálculos preliminares para evaluar la viabilidad estructural del diseño inicial. Estos cálculos indicaron que el sistema propuesto podría alcanzar los mismos criterios de deserción por presión de viento que el sistema no compuesto convencional, pero podría hacerlo en una quinta parte de la profundidad requerida por el sistema convencional. Sin embargo, los esfuerzos cortantes generados en la pultrusión de GFRP fueron casi tres veces mayores que los esfuerzos cortantes de diseño recomendados por los fabricantes. Estos cálculos preliminares fueron fundamentales para identificar las variables del sistema, como la profundidad de la estructura, el ancho, el espesor del adhesivo y el espesor de la red de GFRP.

Sin embargo, el análisis estructural preliminar se basó en la teoría de flexión simple de Euler-Bernoulli, es decir, se ignoran las deformaciones por cortante en la profundidad de la unidad compuesta y el retardo por cortante en el ancho del panel compuesto. Además, los cálculos preliminares suponen que los materiales son elásticos lineales, ignorando así las propiedades dependientes del tiempo y la temperatura de los adhesivos y el GFRP. Por lo tanto, es pertinente caracterizar la respuesta no lineal de los materiales y utilizar estas propiedades en un análisis de elementos finitos no lineales de un panel de vidrio compuesto de GFRP unificado.

La novedad del sistema de muro cortina unificado compuesto estudiado en este trabajo de investigación es que la estructura es pultruida (GFRP) con un coeficiente de expansión térmica de valor similar al del vidrio. Esta similitud permite el uso de adhesivos más rígidos con líneas de unión más delgadas que activan la acción compuesta entre los paneles de vidrio y los marcos. El beneficio adicional del GFRP pultruido es una conductividad térmica más baja en comparación con el aluminio, lo que reduce la transferencia de calor y el riesgo de condensación [27].

1.4. Objetivos del estudio

En respuesta al rendimiento limitado de los sistemas convencionales, se propone un innovador muro cortina unificado integrado en el marco para reducir significativamente la profundidad estructural, permitir un acabado al ras interior y reducir la transmisión térmica en las juntas. El diseño propuesto integra los principios de la acción estructural compuesta en un muro cortina unificado delgado con el objetivo de un uso más eficiente de los materiales para reducir la profundidad estructural.

Este documento investiga y caracteriza los marcos y materiales adhesivos candidatos para este novedoso muro cortina unificado integrado en el marco a través de pruebas mecánicas y, posteriormente, utilizó estos datos de prueba a nivel de material en un modelo numérico de un panel unificado compuesto de vidrio GFRP sujeto a cargas realistas.

El novedoso muro cortina se logra mediante la unión adhesiva de un marco pultrusionado de GFRP al borde de los paneles de vidrio plano, produciendo así una unidad de vidrio aislado (IGU) compuesta. La Figura 3 indica la metodología seguida para la prueba y evaluación de resultados. Se realizan pruebas de flexión de cuatro puntos en pultrusiones de GFRP candidatas para caracterizar la resistencia al corte y el módulo de elasticidad. A continuación, se realizan pruebas de cizallamiento de una sola vuelta en conexiones de GFRP-vidrio para seleccionar el adhesivo, mediante la identificación del módulo de falla y la resistencia. Los resultados proporcionados por las pruebas mecánicas se introducen en un modelo numérico para predecir el rendimiento estructural del sistema propuesto.

2.1. Materiales

2.1.1. Muestras de GFRP

Para la selección de especímenes de GFRP, las variables investigadas fueron (i) la composición de la matriz; resinas de poliéster o fenólicas [28] y (ii) el efecto de las temperaturas elevadas [29]. Se ensayaron un total de 40 barras pultrusionadas de PRFV fabricadas de acuerdo con BS EN 13706-1:2002 [30] y con unas medidas de 150 mm × 20 mm × 5 mm según la Tabla 1. Las fibras de vidrio se alinearon en dirección longitudinal en todas las especímenes

Tabla 1. Número de especímenes para cada conjunto de variables.

Se aplicó remojo de calor a algunas de las muestras para simular cualquier variación que pudiera ocurrir por estar expuesta a la radiación solar oa altas temperaturas durante el curado. Esas muestras se colocaron en un horno a 130 °C durante 30 min y se dejaron enfriar en condiciones ambientales antes de la prueba.

2.1.2. Muestras adhesivas

La selección del adhesivo candidato para este estudio se basó en los datos técnicos disponibles del fabricante Fiberline [31]; Cazador [32]; soldadura escocesa de 3M [33]; Dow Corning [34] y estudios de investigación anteriores sobre adhesivos de unión [22,24,25,26,35]. Además, se tomaron varias consideraciones durante la selección del material. Los adhesivos candidatos deben:

En base a lo anterior, se seleccionó una gama de acrilatos, epoxis y siliconas para este estudio. También se consideraron diferentes espesores como se enumeran en la Tabla 2.

Tabla 2. Productos adhesivos candidatos seleccionados para la prueba de cizallamiento de un solo laboratorio.

2.1.3. Vidrio para pruebas

El vidrio utilizado en la prueba de corte de una sola vuelta fueron paneles de vidrio templado de acuerdo con BS EN 12150-2:2004 [40]. El tamaño del panel de vidrio era de 300 por 300 mm y el espesor era de 10 mm. Los paneles de vidrio fueron los mismos en todos los especímenes.

2.2. Métodos

2.2.1. Prueba de flexión de cuatro puntos

El equipo para la prueba de cuatro flexiones se basó en la norma ASTM D7264/D7264M—07 [41]. El aparato de prueba fue un Instron 5567 (Instron, Norwood, MA, EE. UU.) con una celda de carga de 30 kN a una velocidad de carga de 2 mm por minuto. Se utilizaron dos soportes redondos de la misma altura para colocar las barras de PRFV. Los soportes se ubicaron a una distancia de 135 mm y con el centro alineado con la línea central de la cruceta conectada al aparato de prueba. Las crucetas se ubicaron a una distancia de 75 mm. El centro de las barras de GFRP se sujetó con una placa de acero. Se utilizaron dos calibres de desplazamiento para medir la deflexión de las barras de PRFV: el primer calibre midió el desplazamiento de la placa de acero y el segundo en la cruceta. La configuración de la prueba de flexión de cuatro puntos se muestra en la Figura 4.

Los gálibos registraron desplazamientos cada 0,25 s y se calcularon los módulos de elasticidad para cada medición. La resistencia al corte se calculó según la Ecuación (1):

donde τbeam es el esfuerzo cortante de la viga en un punto determinado, V es la fuerza cortante, Ac es el área de la sección sobre la línea de corte, y′ es el tramo desde el centro del área sobre la línea de corte hasta el centroide de la sección total , I es el segundo momento de área de la sección total y a es el ancho de la sección en la línea de corte.

El módulo de elasticidad se calculó según la Ecuación (2):

donde E es el módulo de elasticidad, M es el momento aplicado, I es el segundo momento de área y R es el radio de curvatura.

2.2.2. Prueba de corte de una sola vuelta

El equipo utilizado para la prueba de corte de una sola vuelta estaba de acuerdo con la norma ASTM D1002 [42]. El aparato fue un Instron 5500R (Instron, Norwood, MA, EE. UU.) con una celda de carga de 150 kN. Se utilizó un panel de vidrio con dos barras de GFRP adheridas a dos lados opuestos del panel. Las barras se sujetaron al aparato y a calibres de desplazamiento. Se unió una placa de acero en forma de L a 80 mm del borde del vidrio con la sonda del calibre tocando la placa. Los medidores midieron el desplazamiento vertical de cada junta adhesiva. Para evitar medir el alargamiento de las barras de GFRP, el calibre de desplazamiento se fijó en el borde interior cerca del lugar de acero. El montaje de prueba se muestra en la Figura 5.

El protocolo de aplicación del adhesivo fue el mismo, incluidas la temperatura y la presión de curado para todos los adhesivos candidatos excepto para el TSSA, que siguió las recomendaciones del fabricante [34]. El adhesivo candidato se aplicó sobre un similar. Se utilizaron cuñas para administrar el espesor correcto para cada aplicación.

El equipo de prueba indujo un desplazamiento en el plano de 0,2 mm por minuto hasta la falla. En el momento de la rotura se registraron la carga, la extensión y el esfuerzo cortante. El desplazamiento se registró a 0,2 mm por minuto hasta el fallo.

2.2.3. Método de verificación por computadora

Software y Modelo

La unidad compuesta de vidrio y GFRP se modeló en un software de análisis de elementos finitos (FEA) llamado LUSAS v14.5 (LUSAS, Kingston upon Thames, Reino Unido). LUSAS es un software desarrollado para el análisis de productos y componentes compuestos. Permite el análisis dinámico estático y modal utilizando vigas, láminas, elementos sólidos y de unión, y elementos compuestos. La Figura 6a muestra la geometría del modelo elástico no lineal evaluado. Se utilizó un tipo de elemento tetraédrico de cuatro nodos que es un elemento finito isoparamétrico tridimensional con orden de interpolación lineal.

La unidad compuesta de vidrio y GFRP se consideró simétrica en ambos ejes (x e y). Por lo tanto, solo se modeló una cuarta parte de la unidad. Se agregó una restricción fuera del plano en el punto B del perfil E de GFRP indicado en la Figura 6a, asumiendo que sería el soporte de conexión a la estructura primaria. Se aplicaron condiciones de contorno simétricas en el plano yz en el borde CD y en el plano xz en el borde AD (Figura 6a).

Los paneles de vidrio se modelaron utilizando una malla de 10 mm de espesor y se dividieron en cuatro elementos. El perfil E de PRFV se modeló utilizando una malla de 5 mm de espesor y se dividió en un solo elemento, igual que el adhesivo pero de 2 mm de espesor (Figura 6b). El GFPR y el adhesivo se modelaron en divisiones más pequeñas debido a los mayores desplazamientos esperados y mayores gradientes de tensión.

La salida se considera en cada nodo de elemento y punto de Gauss. Cada nodo y punto tenía valores de esfuerzos y deformaciones tanto directos como cortantes. Los resultados se calculan en función de la relación constitutiva en los puntos de Gauss del elemento. Se realiza una extrapolación para calcular las tensiones nodales a partir de los puntos de Gauss según las Ecuaciones (3) y (4):

donde N es el número de puntos de Gauss, i son los valores de los puntos nodales, I es el valor de los puntos de Gauss.

Carga aplicada

La carga del viento es generalmente la carga dominante para los muros cortina, que puede variar según la duración de la carga. Para este estudio, se eligieron dos duraciones de carga de viento: una carga alta por un período corto (Caso de carga 1) y una carga baja por un período largo (Caso de carga 2). El objetivo fue evaluar cualquier efecto sobre la alteración del módulo de elasticidad del PRFV y del adhesivo en función de la duración de la carga.

Los códigos de construcción se utilizan con frecuencia para generar presiones de carga de viento en las fachadas. El objetivo de los códigos es interpretar la acción dinámica del viento y convertirla en una acción estática para el cálculo de carga. Los códigos de construcción se basan en la velocidad básica del viento con varios factores aplicados específicos para cada edificio: efectos de ráfagas, presiones internas, altura del edificio, etc. La velocidad básica del viento varía según el código y la ubicación.

BS EN 1991-1-4 [43] asume una velocidad media del viento de 10 min con un riesgo anual de ser superado de 0,02. La velocidad media del viento de 10 min se considera la presión básica principal, mientras que la presión de velocidad máxima se basa en una presión de duración de carga de un segundo. Las fórmulas dadas en el Anexo Nacional (AN) 2.17 [43] se utilizan en este estudio para calcular la ráfaga de un segundo (5) y para el viento de 10 min (6) en un terreno urbano:

donde qp es la presión de velocidad máxima, qb es la presión de velocidad básica media. Ce(z) es el valor del factor de exposición de acuerdo con NA.7 [43], Ce,T es el valor de la corrección de exposición de acuerdo con NA.8 [43].

Ce(z) y Ce,T dependen de la distancia desde la línea de costa y la altura del edificio. Según el código [43], la presión de velocidad básica se obtiene a 100 m sobre el suelo. Para este estudio se ha supuesto una altura de 100 m y una ubicación a 10 km de la línea de costa para estimar la presión del viento. La proporción entre la presión de velocidad básica y la presión de velocidad máxima se ha asumido como 4 de la siguiente manera:

Los casos de carga 1 y 2 se aplicaron uniformemente en el FE como q en la superficie superior del panel de vidrio (Figura 6a).

Propiedades de los materiales para la verificación por computadora

Los tres materiales modelados en el análisis FEA fueron el vidrio, el GFRP y el adhesivo. Mientras que al vidrio se le asignó un material elástico lineal, el GFRP y el adhesivo se atribuyeron como materiales perfectamente plásticos elásticos. El software utilizado podría abordar formas geométricas no lineales. Por lo tanto, se considera que la unidad compuesta de GFRP-Glass se evaluó como un modelo elástico no lineal.

La Tabla 3 resume las propiedades mecánicas del material ingresadas en el análisis FEA para el caso de carga 1 y 2 como se describe en la Sección Carga aplicada.

Tabla 3. Propiedades mecánicas de los materiales.

3.1. Prueba de flexión de cuatro puntos

Durante el ensayo de flexión de cuatro puntos, todos los especímenes se delaminaron debido al esfuerzo cortante horizontal como se indica en la Figura 7a para las barras de resina de poliéster GFRP y en la Figura 7b para las barras de resina fenólica.

El espécimen tomado obtuvo una resistencia al corte análoga principalmente entre 17 MPa a 19 MPa como se muestra en la Figura 8. Esta resistencia al corte promedio fue inferior a los 25 MPa proporcionados inicialmente por el fabricante [31].

El módulo de elasticidad calculado se resume en la Figura 9. Las cargas de larga duración proporcionaron un módulo de elasticidad similar a los valores proporcionados por el fabricante [31] en el rango de 23 MPa y 30 MPa. Sin embargo, para las cargas cortas, los módulos de elasticidad obtenidos fueron el doble y en ocasiones el triple del valor de la carga de larga duración, como se puede ver en la Figura 9. Con base en este resultado, es consecuente notar que el módulo de elasticidad de GFRP varía considerablemente según la duración de la carga.

En base a los resultados obtenidos se concluyó que no hubo variación significativa en las propiedades mecánicas de las variables estudiadas: resinas poliéster o fenólicas y el efecto de las temperaturas elevadas.

3.2. Ensayo de cizallamiento de un solo laboratorio

La falla de la moda y la resistencia media al corte del adhesivo se registraron durante el régimen de prueba y se resumen en la Tabla 4 y, a continuación, se incluye un breve comentario que describe los hallazgos en cada adhesivo.

Tabla 4. Resumen de los resultados de las pruebas de cizallamiento de una sola vuelta.

La Figura 10 ilustra los resultados obtenidos durante la prueba de cizallamiento de laboratorio individual para cada uno de los adhesivos candidatos, excepto para el Dow Corning TSSA que fue rechazado. El aglomerante Scotch-Weld DP 490 de 3M con un espesor de 5 mm obtuvo la mayor resistencia media al corte. Cabe destacar el aumento de la flexibilidad al aumentar el espesor de 3 mm a 5 mm. La versión desgastada del aglomerante Huntsman Araldite 2047 también proporcionó una capacidad de carga plausible y mostró cierta deformación plástica antes de fallar. El 3M Scotch Weld 2216 B/A no proporcionó suficiente resistencia al corte y se descartó junto con el Dow Corning TSSA.

3.3. Verificación informática del sistema propuesto

3.3.1. Deflexión de vidrio

Según el estándar CWCT para envolventes de edificios sistematizados [45], cláusula 3.5.2.5, el límite de deflexión permisible era de 15 mm en el medio del borde de la IGU.

La deflexión producida por ambos casos de carga 1 y 2 como se ilustra en la Figura 11.

Los resultados de deflexión del acristalamiento para (a) Caso de carga 1 y (b) Caso de carga 2 Figura 11 estaban dentro del límite. La relación de utilización para la deflexión fue de 18% y 51% para los casos de carga 1 y 2 respectivamente.

3.3.2. Esfuerzo de tracción de vidrio

La norma ASTM E 1300 [46] establece el límite de tensión superficial para vidrio termoendurecido y vidrio de dureza de 46,6 MPa y 93,1 MPa, respectivamente.

A partir de los resultados del análisis FEA que se muestran en la Figura 12, se puede observar que la tensión de tracción más alta se ubicó en la parte media del borde largo del vidrio. La tensión de tracción producida por los casos de carga 1 y 2, como se ilustra en la Figura 12, estuvo dentro del límite. El índice de utilización fue del 9 % y el 31 % para los casos de carga 1 y 2 respectivamente para el vidrio termoendurecido y, en consecuencia, menor para el vidrio de dureza.

3.3.3. Esfuerzo cortante adhesivo

El límite de tensión de corte del adhesivo se estableció mediante los resultados de las pruebas obtenidas en la Sección 3.2. El esfuerzo cortante medio a la falla para Huntsman Araldite 2047 con GFRP desgastado fue de 3.57 MPa y para 3M Scotch Weld DP 490 con un espesor de 5 mm fue de 4.70 MPa.

Los resultados que se muestran en la Figura 13 indican que ambos casos de carga 1 y 2 estuvieron dentro de los límites establecidos por los resultados de la prueba de corte de un solo lado y con una tasa de utilización del 16 % y 55 % respectivamente para el Huntsman Araldite 2047 y, en consecuencia, menor para el 3M Scotch Weld DP 490.

3.3.4. Esfuerzo cortante de GFRP

El límite de esfuerzo cortante de GFRP fue establecido por los resultados del ensayo de flexión en cuatro puntos obtenidos en la Sección 3.1, que se consideró 17 MPa. Los resultados del modelo FEA indicaron que el perfil E de GFRP podría fallar debido al corte cuando se somete a un caso de carga de corta duración con un esfuerzo de corte 2,5 veces mayor que el obtenido en las pruebas. La ubicación de la falla del perfil GFRP fue cerca del punto de apoyo como se indica en la Figura 14.

Vale la pena mencionar que la resistencia al corte obtenida en el análisis FEA en la dirección longitudinal fue mucho menor que en las esquinas. Esta menor resistencia al corte se debe a que las fibras se fijan principalmente a lo largo del eje longitudinal. Permitir que las fibras estén en varias direcciones podría tener el beneficio de aumentar la resistencia al corte de las barras.

4.1. Selección de material GFRP para enmarcar

Los resultados del ensayo de cuatro flexiones mostraron que no hubo diferencias considerables en las propiedades mecánicas de las variables estudiadas. Por lo tanto, se decidió utilizar matriz de poliéster para la estructura de PRFV ya que tiene un aspecto más fino y es más asequible. También se concluyó que el remojo con calor era innecesario.

Los módulos de elasticidad obtenidos para la carga de corta duración fueron dos y tres veces mayores que el valor de la carga de larga duración. Esta variación significativa dicta que es fundamental determinar la duración de la carga a la que estaría sometido el marco de PRFV. La carga de viento considerada en este estudio está de acuerdo con BS EN 1991-1-4 [43] que asume que las cargas de corta duración tienen un factor de 4 con respecto a los casos de carga de larga duración.

Todas las probetas obtuvieron una resistencia al corte análoga que estuvo en todos los casos por debajo del valor proporcionado por el fabricante [31]. El análisis FEA indicó que la barra de GFRP podría fallar cerca del punto de apoyo cuando se somete a cargas de corta duración. Esto indica que la vulnerabilidad de la unidad compuesta de GFRP-vidrio es la resistencia al corte en el soporte de la esquina y se debe estudiar más a fondo el aumento de la resistencia en esa área. Una posible mejora podría ser agregar placas de acero en las esquinas o permitir que las fibras de vidrio se ubiquen en varias direcciones durante la pultrusión [47].

4.2. Selección de material adhesivo para unión

Se realizó la siguiente evaluación para cada adhesivo candidato durante la selección:

Con base en lo anterior, se concluyó que tanto 3M Scotch Weld DP 490 como Huntsman Araldite 2047 son adhesivos potenciales para la unidad compuesta de vidrio GFRP.

4.3. Investigaciones más profundas

En base a los resultados obtenidos se podrían contemplar una serie de futuras investigaciones:

Esta investigación concluye que es posible reducir la profundidad estructural del muro cortina a casi una quinta parte en comparación con los sistemas de muro cortina convencionales. La declaración concluida se basa en los siguientes resultados obtenidos de las pruebas mecánicas y la verificación por computadora:

Conceptualización, BC y MG; metodología, MG y BC; software, BC; validación, MG y BC; análisis formal, MG y AG-S.; investigación, MG y BC; recursos, MG; curación de datos, BC y AG-S.; redacción—preparación del borrador original, BC; redacción—revisión y edición, MG; visualización, MG; supervisión, AG-S.; administración de proyectos, MG; adquisición de fondos, MG Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Esta investigación no recibió financiación externa.

No aplica.

No aplica.

Los datos presentados en este estudio están disponibles previa solicitud al autor correspondiente.

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.