Martes 4 Agosto 2020

Materiales para estructuras de membrana

Este artículo es el resultado del trabajo de los ingenieros Rogier Houtman y Matti Orpana pesentado en el taller Textiles Roofs en Berlín. En él se habla sobre todo del tejido como "el material más importante para las estructuras de membrana". Para sus autores "es muy imponente visualmente, atrae mucha atención y se ve muy simple".
Para realizar este artículo sus autores confiesan que se ha realizado mucha investigación; los materiales que conforman las cubiertas textiles han sido profusamente analizados y sus propiedades están hoy en día muy definidas y adaptadas. Propiedades como transparencia, durabilidad, resistencia al fuego pero también elasticidad, fuerza son cada vez mejores.
En este artículo se explican con detalle los pormenores de estos tejidos para obtener una mejor comprensión de esas propiedades. También se explica la composición y las características de los tejidos más comúnmente utilizados, y finalmente se detalla el comportamiento estructural de cada uno de ellos.

Hilatura
Un hilo está hecho de fibras. Hay fibras naturales y fibras químicas. Las fibras naturales tienen un límite en su longitud y están enlazadas en hebras. Son lo que se llama fibras de hilado. Las fibras químicas teóricamente tienen una longitud sin fin y se llaman filamentos. La sección transversal de fibras naturales es menor a 0.1mm, mientras que las fibras químicas pueden tener secciones transversales más grandes. La forma de la sección transversal es redonda para las fibras naturales, pero puede tener cualquier forma en las fibras químicas. Para las estructuras de membrana es mejor tener un hilo con una sección transversal circular.


Las propiedades mecánicas de los materiales en la industria de la construcción normalmente se especifican en N / mm2. En textiles técnicos esto no es común porque no es fácil determinar la sección transversal de una fibra muy pequeña. Por eso es habitual determinar el peso de una fibra relacionado con cierta longitud. Cuando se conoce la masa específica de la fibra, es posible determinar un promedio de la sección transversal del material. Esta unidad de masa por longitud es el Titer y se indica con el símbolo Tex: 1 Tex de peso en gramos por 1.000m de longitud. En las fibras sintéticas es común usar decitex: 1 dtex = peso en gramos por 10.000 m de longitud.
Una fibra de poliéster, por ejemplo, con un Titer de 8,35 dtex tiene un peso de 8,35 gramos con una longitud de 10.000 m. Cuando el producto es tan pequeño, es muy difícil usarlo en procesos industriales. Por lo tanto, se hila en hilos. Un hilo posiblemente se compone de cientos de fibras.
Cuando un hilo solo tiene una fibra, se llama monofilamento. Las fibras de hilado deben estabilizarse girando alrededor del centro del hilo. Los filamentos no lo necesitan, pero facilita su manejo. La torsión influye en la tensión y en el comportamiento de los hilos. Cuanto más se tuerce el hilo más disminuye la elasticidad en comparación con la elasticidad de la fibra. Con este ajuste en la torsión las propiedades mecánicas del hilo se pueden determinar con precisión.
La caracterización de un hilo de filamento se hace de acuerdo al sistema Tex, al ue se le agregan el número de fibras y torsiones. Por ejemplo, un hilo de 2200 dtex f 200 z 60 tiene un Titer total de 2.200 dtex, hecho de 200 fibras, y el hilo se tuerce 60 veces por metro en la dirección z.
Existen varias fibras que pueden aplicarse a las estructuras de membrana. Y por tanto para cada proyecto hay que tener en cuenta qué tipo de tejido se puede utilizar. Bastantes de estas fibras tienen el potencial para aplicarse, sin embargo, sus altos costes no permiten, de momento una amplia utilización.

Fibra de algodón
Este tipo de fibra es la única fibra orgánica que se utiliza en estructuras de membrana. El arquitecto y padre de la arquitectura textil, Frei Otto, lo usó para su las primeras estructuras y hoy en día todavía se aplica en algunas estructuras. A partir de sus propiedades orgánicas, este material está sujeto al riesgo de hongos y humedad. Cuando se utiliza de forma permanente tiene una vida útil prevista de unos 4 años.

Poliamida 6.6 (Nylon) La fibra de nylon tiene una mala resistencia a los rayos UV, se hincha cuando se moja y es de poca relevancia en la arquitectura textil. Donde sí se utiliza muy frecuentemente es en la industria de la vela por su poco peso y alta resistencia.


Poliéster
La fibra de poliéster junto con la fibra de vidrio es la más común en la arquitectura textil y considerado como un producto estándar. Tiene una buena resistencia a la tensión y gran elasticidad. Debido a su considerable potencial de alargamiento el material permite hacer pequeñas correcciones durante la instalación. Las propiedades mecánicas del material disminuyen por la luz solar y con el envejecimiento.

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Tabla 1. Propiedades de los materiales que sirven de base para los tejidos.

Fibra de vidrio
El material del que está hecho la fibra de vidrio es, por supuesto, vidrio, donde se hilan hilos que tienen una cierta capacidad de flexión. La fibra de vidrio tiene una alta resistencia a la tracción pero sigue siendo frágil para estos usos y tiene baja tensión elástica. Debido a su fragilidad, el material debe ser manejado con cuidado y necesita una fabricación muy precisa. El envejecimiento ejerce poca influencia sobre el material lo que tiene un tremendo impacto en la vida útil de la estructura. Pero la resistencia a la tracción del material disminuye cuando se somete a la humedad.

Fibra de aramida
Este es un tipo relativamente nuevo de fibra, descubierto simultáneamente por Akzo (fibra de Twaron) y DuPont (Fibra Kevlar). El material tiene una alta resistencia a la tracción y es químicamente resistente. Un inconveniente es su baja elasticidad y la poca resistencia a altas temperaturas y rayos UV.

Composición del material base
El tejido que se usa normalmente para estructuras de membrana se hace a partir de un material estructural base tejido, y que está cubierto por ambos lados para protegerlo del agua y los contaminantes, el llamado recubrimiento. Hay varias formas de hacerlo de forma coherente. El método básico se llama unión o enlazado de canasta (basket bond), donde los hilos de la trama pasan por los hilos de urdimbre alternando encima y debajo. Hay muchas variedades posibles, como pasar tres hilos de urdimbre por debajo y uno por encima.

 

Fig. 1 Unión de canasta (izquierda) y unión de Panamá

Igual que en la industria de la alfombra se pueden hacer todo tipo de patrones, pero para un uso estructural esto no es suficiente y por lo tanto sólo la unión de canasta y la de Panamá (Panama Bond) se utilizan para estructuras de membrana. La unión tipo Panamá indica que la operación de tejido se realiza con más de un hilo a la vez. 12 * 12 Panamá significa que cada centímetro de tejido contiene 12 hilos en la urdimbre y 12 en la trama. Por otro lado también es habitual decir 2-2 Panamá o 3-3 Panamá, lo que significa que la operación de tejido se realiza con dos o tres hilos cada vez. El Panama Bond tiene un mejor comportamiento mecánico que el de canasta debido a los múltiples hilos que se usan.

Revestimientos
En la tabla 1 se describen las fibras a partir de las que se teje el tejido. Para crear tejidos duraderos y resistentes al agua la mayoría de las fibras necesitan un recubrimiento en ambos lados. Hay varios recubrimientos disponibles, los mas comunes son los de PVC, teflón y revestimientos de silicona. A veces no se aplica un revestimiento sino que se aplica una lámina sobre el tejido. El recubrimiento se utiliza a menudo para unir las diferentes partes del membrana. La adherencia del recubrimiento al tejido es un indicador de la resistencia de las costuras. La adherencia al aplicar una lámina al tejido es mucho menor y por lo tanto requiere otros métodos de conexión para el costuras.

Recubrimiento de PVC sobre tejido de poliéster
Este tipo de recubrimiento se utiliza principalmente en tejido de poliéster, ya sea revestido o laminado sobre el tejido. Docenas de fabricantes proporcionan este material, cuya oferta va desde tejidos laminados para carpas de alquiler hasta tejidos recubiertos pensados para instalaciones permanentes y con una esperanza de vida superior a los 20 años. El tejido se ofrece en numerosos colores, tiene tres acabados de recubrimiento diferentes (PVDF, PVF, Acrílico) y se considera que es un material resistente al fuego (ver figura 2a).

Revestimiento de PVC en tejido de aramida
Otro interesante material de construcción ligero es la fibra de aramida utilizada para tubos de aire. Estos tubos de aire de alta presión puede asumir la función de soporte como una viga, un arco o una rejilla convirtiéndose en una parte de la estructura. Las fibras de aramida se trenzan en formas curvas y se unen a una membrana interna de uretano para crear arcos inflables sin costuras de aproximadamente 30 psi. El tejido de aramida se encuentra envuelto de una cubierta de PVC para proteger las fibras de la degradación por UV.

Recubrimiento de PTFE sobre tejido de fibra de vidrio
El tejido de fibra de vidrio recubierto de teflón es el más duradero de todos los tejidos arquitectónicos recubiertos. Se empleó por primera vez para una cubierta en 1973 para el centro de estudiantes de La Verne College en California (figura 2b), y tiene una vida útil de más de 30 años. Solamente se puede utilizar para aplicaciones permanentes y no es reubicable. El tejido es considerado incombustible, y como tal cumple con los códigos de construcción más estrictos en todo el mundo. Una vez colocado tiene un aspecto amarillento que se torna blanco después de un par de meses de exposición al sol. Con translucidez de hasta el 25% se ha utilizado en proyectos como la cúpula de Georgia, el aeropuerto de Denver y en el Millennium Dome.

Recubrimientos de silicona sobre tejido de fibra de vidrio
La fibra de vidrio recubierta de silicona data de 1981, y se ha utilizado, por ejemplo en las cúpulas de tipo tensegrity para los Juegos olímpicos de Seúl. Esta goma de silicona es más flexible que el teflón, y la fibra de vidrio recubierta con él es menos probable que se dañe durante el transporte y montaje que la fibra de vidrio recubierta con teflón. La mayor ventaja, sin embargo, es que la tela se puede fabricar con gran translucidez. Que alcanza el 25% en las membranas arquitectónicas y un 90% para el material de revestimiento más fino. Con múltiples capas de membrana translúcida y fibra de vidrio se puede crear una muy buena iluminación natural así como una retención de calor muy alta. La silicona (Si) es uno de los materiales más abundantes en la tierra y constituye la base tanto de la fibra de los hilos de fibra de vidrio como de la goma de silicona del revestimiento. Esta similitud en la estructura química permite el diseño de tejidos altamente translúcidos, mientras que la protección contra el agua proporcionada por el recubrimiento de silicona asegura una larga vida útil de la fibra de vidrio. Con respecto al coste y la facilidad de utilización, la fibra de vidrio recubierta de silicona se puede posicionar entre la fibra de vidrio recubierta de teflón y el PVC recubierto de poliéster.

 

tabla2

 

Tabla 2. Propiedades de los tejidos.

Recubrimiento de silicona en tejido de poliéster
Un tejido ideal combinaría bajo coste, fácil manipulación y el excelente comportamiento estructural del Poliéster recubierto de PVC con la translucidez y la larga vida de la fibra de vidrio recubierta de silicona, y la alta reflectividad y resistencia a la suciedad del teflón.

Propiedades mecánicas de los tejidos
El tejido se comporta de forma especial debido al proceso de tejido. Los materiales de construcción convencionales se caracterizan por su comportamiento elástico lineal e isotrópico. Solo cuando se alcanza el límite elástico y el área de rendimiento comienza se deben aplicar diferentes reglas. Los materiales utilizados en la arquitectura textil tienen comportamientos completamente diferentes y actúan de la siguiente manera:
• No lineales, eso significa que el comportamiento tensión-deformación de los materiales no se puede modelar con una linealización de la curva
• Anisotropía, lo que significa que el material en sí tiene dos direcciones dominantes, lo que hace que todas las propiedades mecánicas importantes dependan de la dirección.
• No elásticos, eso significa que el comportamiento de los materiales depende de la carga añadida.

No linealidad Al principio se explicará la no linealidad. Una muestra del tejido se prueba en una máquina de tests uniaxiales. En la figura 3 se ve el resultado típico a partir de dicha prueba. Se muestran el estrés y la tensión.

 

Figura3 

 

Fig. 3 Carga uniaxial típica de la curva de tensión-deformación.

Está claro que no existe una relación lineal entre los estrés y tensión. Sólo con mucha creatividad es posible dibujar una línea recta a lo largo de la curva. A continuación se explica la anisotropía. Se han cortado varias tiras en el tejido pero con una orientación diferente. (Ver figura 4).

 

 

Figura4

Fig. 4 Anisotropía mostrada en diferentes orientaciones de fibra.

Es obvio que en las diferentes direcciones de la fibra hay un comportamiento distinto. Este comportamiento es causado por la presencia del material base tejido en su interior. Durante el proceso de tejido, los hilos de urdimbre se tensan en la máquina de tejer. Los hilos de trama se tejen a su vez en patrones alternativos, y dan como resultado un proceso de tejido en el que los hilos de la urdimbre tiran hacia arriba o hacia abajo y los de la trama quedan arrastrados entre ellos. En los largos rollos de tejido, los hilos de la trama que corren de lado a lado, quedan retorcidos alrededor de los hilos de urdimbre rectos, que cubren la longitud total. En la mayoría de los procesos de recubrimiento esta configuración se mantiene. El fabricante de tejido de poliéster, Serge Ferrari, tensa los hilos de la trama antes del recubrimiento.

 

 Figura5

 

Fig. 5 Izquierda: configuración de urdimbre y trama antes del esfuerzo; derecha: configuración de urdimbre y trama después del esfuerzo.

El efecto de esta configuración sobre las propiedades mecánicas es que la tensión no es la misma en la urdimbre que en la trama. Cuando se tensa en la dirección de la urdimbre habrá poca deformación porque las fibras ya están rectas. Cuando las fibras de la trama se tensan, se "rizan", pero se vuelven a estirar y por lo tanto tienen un gran potencial de deformación respecto a la dirección de la urdimbre. En la figura 5 se muestra la configuración antes y después de tensar. El último aspecto, la no elasticidad se explica por medio de los mismos ejemplos, pero llevados a cabo más de una vez sobre la misma muestra (ver figura 6).

 

 Figura6

Fig. 6 Comportamiento no elástico del material tejido.

Se puede observar que la curva de carga es diferente de la curva de descarga. Cuando comienza el segundo ciclo de carga, es distinto del primero, del mismo modo que la segunda curva de descarga difiere de la primera. Cuando los ciclos de carga se repiten, cada ciclo de carga y descarga es diferente, aunque las diferencias son cada vez más pequeñas. La diferencia permanece entre la carga y la descarga, lo que resulta en un alargamiento permanente del tejido. El tamaño de este estiramiento depende de las cargas aplicadas. Todos estos aspectos actúan simultáneamente, por lo tanto es muy difícil describir el comportamiento mecánico del tejido con un único modelo. Para obtener una mejor comprensión de esos aspectos es mejor detallar un breve resumen del proceso de diseño. Esto hace que sea más fácil de explicar cuando se deben considerar diferentes aspectos materiales.

Proceso de diseño
El diseño de una estructura de membrana comienza con el formfinding, esto es, la búsqueda de la forma. Como hay una doble curvatura opuesta, hay que encontrar un equilibrio entre el pretensión en la membrana y las condiciones del contorno. Esto se hace normalmente por medio de software específicos.
Modelar la membrana como una red de dos vías es una base muy representativa para el análisis informático. Una la dirección de la malla puede verse como los hilos de la urdimbre, la otra dirección puede verse como la trama. Cuando se establecen las condiciones del contorno se obtiene la primera forma.
Esto puede servir como una primera imagen para mostrar al cliente, cómo ve la forma y si cumple con los requisitos necesarios. Cuando se decide continuar con la estructura es necesario pensar en los patrones que van a conformar el diseño. La membrana se construye a partir de pequeñas piezas a partir de rollos de un cierto ancho. Estas piezas se sueldan entre sí y forman la membrana. Debido a la anisotropía del material, es necesario orientar la hilos de urdimbre y trama en las direcciones de la cabeza de la curvatura. El comportamiento de la carga quedará influenciado considerablemente cuando la dirección de la cabeza del tejido no corresponda con la dirección de la cabeza de la curvatura (ver figura 7). Hay mucha más posibilidad de desvío dado que la malla no tiene resistencia al cizallamiento. Por tanto la rigidez de la forma depende de la adherencia del revestimiento al tejido.

 

Figura7

 

Fig. 7 Dos formas de orientación de la malla: resultan en la misma forma pero con diferente comportamiento de carga (1 kN / m2 carga ascendente)

Cuando se conoce la dirección principal de la anisotropía, los puntos de partida para la rigidez de la estructura se pueden determinar. Con estos valores se realiza un análisis estadístico, lo que da resultados sobre las fuerzas en la estructura primaria y en la membrana. Los resultados del análisis sobre tensiones y deformaciones se utilizan para comprobar los límites de carga y los modos de fallo. Para las membranas los siguientes modos de fallo son críticos:
• Fallo de la membrana bi-axial con su cargada dentro de la vida estimada de la estructura.
• Fallo de una costura o conexión de membrana a la estructura primaria.
• Fallo de rotura durante la instalación o debido al vandalismo.
El primer modo de fallo depende de los factores de seguridad aplicados sobre la resistencia última del material. La dificultad de la propiedad material no elástica se afronta de una manera muy sencilla. Sólo se utiliza una pequeña cantidad de la capacidad de tracción de la pieza. Dependiendo del tipo de tejido utilizado existe el riesgo de fallo por fragilidad (fibra de vidrio) o gran deformación plástica (poliéster). Así que para una carga permanente a veces se usa una relación f 1/8, para cargas de viento se usa 1/4 y para cargas de nieve se usa 1/5 porque puede durar varias semanas y por lo tanto se considera una carga semipermanente. Según la norma DIN, la carga de diseño no puede ser mayor a 0.85/3.1 * resistencia a la tracción de la tira. Otro enfoque es que los valores permanezcan por debajo de la resistencia al desgarro del material para prevenir la rotura por desgarro. Esto resulta en una relación de 1/5-1/6.

 

Tabla3

Tabla 3. Propiedades mecánicas de los tejidos más comunes.

Así que hay varias maneras para determinar la carga de tensión admisible. El segundo modo de fallo, el fallo de una unión o costura, debe evitarse comprobando qué ancho de costura se necesita y a qué temperatura. Cuando la temperatura sube las costuras se debilitan. Por encima de los 70º la fuerza de la costura es considerablemente más bajo.
El fallo de rotura (el tercer modo) ocurre a menudo durante instalación. Comienza en un borde abierto o en un agujero en el tejido. Es crítico, por lo tanto, que cada pieza del tejido se sostenga por los bordes. Para conseguir esto, comúnmente se utiliza un sistema de cableado por el borde de la membrana en el interior de manguitos continuos. Otra causa de desgarro es la actuación de fuerzas tangenciales en la membrana. Cuando no se proporciona una apropiación adecuada de estas fuerzas, el tejido puede desgarrarse bajo una carga pesada. Cuando la calidad de la membrana se ha determinado, ya se pueden hacer los patrones de corte para la forma final.
La forma tiene un cierto grado de pre-tensión, y los patrones deben poderlo compensar. La compensación necesaria depende de la tensión del tejido bajo el pre-tensado en la membrana. Esta tensión necesita estudiarse mediante pruebas bi-axiales en el tejido bajo condiciones de pre-tensado similares a las existentes en la membrana.

 

Figura8

Fig. 8 Posible esquema de diseño.

 

 

Bibliografía/Fuentes
1. Nicholas Goldsmith: "Materials for the new Millennium", actas de la conferencia sobre Large Span Structures, Bath, 2000.
2. Michael Haist, Christoph Niklasch, Yahya Bayraktarli: "Vorgespannte Membrantragwerke", Seminario Leichte Flächentragwerke, TU Berlín 1998/99.
3. Horst Berger.- "Light structures, structures of light" Birk-hduser Verlag Berlin, 1996.
4. Rogier Houtman: "From computer model to realised structure", TU Delft, 1996.
5. Matti Orpana: "Detailing" actas de Textile Roofs 1995, Berlín.
6. Tony Robbin: "Engineering a new architecture", Yale University Press New Haven y Londres, 1996.
7. Wemer Sobek, Martin Speth: "Von der Faser zum Gewebe "página 74-81 DB n. 9 de septiembre de 1993.
8. Rainer Blum: "Leicht und Weit" páginas 200-224, Deutsche Forschungsgemeinschaft Weinheim, 1990.

Rogier Houtman trabaja en el departamento de diseño e ingeniería de la empresa Tentech B.V.
Matti Orpana es ingeniero estructural especializado en estructuras de membrana.

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