Panel industrializado de aluminio extruido patentado para la ejecución de envolventes estructurales ventiladas con captación solar en construcciones de baja altura

3.1. Diseño inicial

El panel es industrializado y fabricado por extrusión, en aleación EN AW 6005A-T6, debido a sus excelentes propiedades mecánicas (22(22) Siwowski, T. W. (2009). Structural behaviour of aluminium bridge deck panels. Engineering structures, 31(7), 1349-1353.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2009.02.002
), consta de una resistencia a la compresión superior a 15 tns, La densidad del panel es de 2800 Kg/m³, con una conductividad de 160 W/mK y un calor específico de 880 J/Kg·K. Y se rige por la norma europea EN 15088:2005 para Aluminio y aleaciones de aluminio, con aplicaciones estructurales de construcción sometidos a cargas tanto para edificación como para obra civil. Los paneles tienen unas dimensiones de 300 mm × 90 mm × 3 mm de grosor y hasta 14 m de longitud, con diversas configuraciones de los extremos en función de la ubicación y la pendiente de las cubiertas. Las perforaciones y mecanizados necesarios para el atornillado entre los paneles y los elementos auxiliares se realizan con máquinas automáticas de mecanizado de cinco ejes. Los paneles "en bruto" tienen extremos con forma recta o perpendicular a la dirección de extrusión.

Estructuralmente, el panel funciona de forma similar a un sistema tipo cassette. Las alas de cada extremo se unen al panel adyacente para conformar rigidizadores cada 300 mm. Las almas de los rigidizadores permiten utilizar pletinas en la unión entre los paneles de fachada y la cubierta, formando la envolvente del edificio. Los paneles se anclan a la cimentación utilizando otros perfiles del tipo L de aluminio extruido. Y otras piezas auxiliarles similares sirven para el apoyo de los forjados interiores. Este sistema permite completar rápidamente la estructura del edificio.

La sección horizontal del panel (figura 1) es asimétrica, de modo que los bordes forman una junta estanca. La barrera exterior es una junta a media madera de aluminio de un milímetro, que proporciona un acabado liso a toda la fachada y la cubierta. Una superficie exterior lisa mejora la durabilidad y reduce la necesidad de mantenimiento, ya que disminuye los depósitos, la suciedad y los posibles daños. En esta junta no hay ningún componente elástico, por lo que puede entrar algo de agua de lluvia que fluya por la cubierta. Debajo de la junta a media madera hay una junta de cola de milano con un canal doble a cada lado. Dentro de estos canales, no hay presión del viento; por lo tanto, el agua tiende a fluir por gravedad hacia el punto más bajo, donde se drena hacia la fachada. En el punto de contacto entre los dos paneles existe una doble junta elástica de EPDM espumado. Su función principal es permitir pequeños movimientos térmicos entre los paneles evitando ruidos. Esta junta permite un aspecto completamente plano y continuo de la envolvente del edificio y el drenaje continuo del agua, sin necesidad de elementos como canalones o tubos de desagüe (figura 2).

Los rigidizadores estructurales también se utilizan como soportes para conductos de captación solar, que pueden emplearse para agua caliente sanitaria, redistribución de temperaturas en fachada y refrigeración. También pueden utilizarse para paliar la falta de inercia térmica habitual en las construcciones modulares ligeras (17-18(17) Elguezabal, P., Lopez, A., Blanco, J. M., & Chica, J. A. (2020). CFD model-based analysis and experimental assessment of key design parameters for an integrated unglazed metallic thermal collector façade. Renewable Energy, 146, 1766-1780.https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.07.151
(18) Probst, M. M., & Roecker, C. (2007). Towards an improved architectural quality of building integrated solar thermal systems (BIST). Solar energy, 81(9), 1104-1116.https://doi.org/10.1016/j.solener.2007.02.009
, 23(23) Linhares, P., Hermo, V., & Meire, C. (2021). Environmental design guidelines for residential NZEBs with liner tray construction. Journal of Building Engineering, 42, 102580. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102580
).

El acabado del panel puede ser anodizado o lacado; en el caso del anodizado, con sello de calidad europeo Qualanod específicamente para el anodizado de aluminio con ácido sulfúrico, con espesor medio mínimo de 15 micras. Y en el acabado lacado, con sello de calidad europeo Qualicoat. Con pretratamiento dual alcalino - ácido, el cual refuerza la resistencia frente a condiciones climáticas y ambientales extremas, con un espesor medio mínimo 60 micras.

3.2. Prueba de montaje experimental e identificación de mejoras

El primer montaje de prueba consistió en cinco construcciones de poca altura con diferentes tipologías constructivas: una cubierta plana, una cubierta a dos aguas orientada al este, una cubierta a dos aguas orientada al oeste, una cubierta a dos aguas y una casa de una sola planta con dos cubiertas invertidas y dos canalones interiores (figura 3). Las esquinas se arriostraron con los mismos paneles perpendiculares a la fachada portante.

El anclaje de los paneles portantes de aluminio a la cimentación se realiza mediante perfiles "L" con varillas roscadas (figura 4).

Esto implica ciertos problemas de nivelación y dimensiones debido a las diferencias entre la exactitud y tolerancia de la losa de hormigón moldeada in situ y la fabricación industrializada de los paneles de aluminio. Esto puede solucionarse rellenando el encuentro con mortero expansivo y nivelando desde el punto más alto de la solera.

Durante el montaje se detectó inestabilidad horizontal de los muros. Reproduciendo la experiencia de un proyecto de investigación anterior, se utilizaron pilares metálicos de uso provisional para soportar las vigas de borde, que sirvieron de guía para el montaje de los paneles portantes (figura 5). Los pilares auxiliares, anclados con chapa metálica base a las soleras, permitieron mantener la estabilidad horizontal durante el montaje.

Sin embargo, esta estructura auxiliar implica el uso de una grúa, un mayor consumo de tiempo y un aumento de los costes de material. Además, no parecía conseguir la estabilidad suficiente una vez finalizado el montaje de la estructura de aluminio. Esto es debido a holguras en la tornillería y pletinas empleadas, que se rectificaban en obra para facilitar su ensamblaje. Teniendo en cuenta que en las fachadas sur no estructurales no se incluyen elementos opacos, es necesario reforzar aún más el conjunto. Por ello, se reforzó la estructura instalando marcos soldados de tubos de aluminio de 120 x 60 mm (figura 6). Además, estos marcos sirven de soportes exactos para la carpintería de aluminio que forma los marcos de las ventanas. En las fachadas orientadas al norte, el problema se resuelve mediante un entramado de madera tipo ballonframe que actúa como muro de arriostramiento (figura 7).

Durante el montaje se detectaron movimientos inesperados en la intersección entre la fachada y cubierta. Esto se debe a los espacios en los taladros creados en las pletinas de conexión durante la construcción para facilitar el montaje.

El montaje del panel de aluminio como fachada ventilada y cubierta ventilada no presentó ningún problema, salvo la dificultad de comprimir las juntas elásticas. La espuma EPDM de 4 mm puede comprimirse, con cierta dificultad, hasta un espesor de 1 mm. Esto provoca desfases dimensionales acumulativos en las fachadas y cubiertas. Se contempla la posibilidad de utilizar una junta estanca más fina, y un material de espuma EPDM de 2 mm que garantiza la correcta unión de los paneles y la junta coplanaria. Además, la estanqueidad de las juntas es adecuada tanto para la cubierta como para la fachada. El punto inferior de la fachada también se comporta correctamente, evacuando el agua condensada hacia el exterior.

La ventilación se produce desde el apoyo del panel en la base de la fachada hasta el encuentro entre la cornisa o cumbrera, dependiendo de la inclinación de la cubierta. La ventilación de la cubierta cumple los parámetros definidos en el DB HS del CTE, donde el Área efectiva total en m², y la superficie de la cubierta en m2 reúne la siguiente condición: A_efectiva= S_cubierta/500.

Se comprueba en el montaje experimental donde las edificaciones tienen unas superficies de cubierta en planta entre 36 y 70 m², y constan de una abertura de 0,02 m por la longitud de la cornisa y cumbrera de 6 m. Que en todos los casos se cumple la condición, siendo considerablemente mayor el área efectiva de ventilación real, que el mínimo exigido por normativa. Satisfaciendo el caso más desfavorable de A efectiva 0.24> 0,14.

No obstante, se observaron posibles retornos de agua durante la evacuación del agua de lluvia en las cubiertas planas, que podrían deberse a la tensión superficial en el borde del panel de aluminio extruido. Además, la colocación de tapajuntas adosados al borde del panel presenta el riesgo de obstruir el drenaje de los canales interiores. En el prototipo, se consideró oportuno mecanizar manualmente estos canales para favorecer la evacuación, lo que ocasionó algunas dificultades de ejecución (figura 8). Este contratiempo sugiere la necesidad de revisar los detalles de la cornisa. No obstante, se ha comprobado que el prototipo funciona adecuadamente contra la humedad durante su uso continuado durante más de cuatro años.

Se instalaron colectores solares (figura 9) en tres planos opacos del prototipo: la fachada este, la fachada oeste y la cubierta. El sistema utilizado (figura 10) era similar a un colector solar convencional donde la energía recibida del sol, eleva la temperatura del agua, con vistas a su aprovechamiento con un depósito de inercia. Se establecieron en circuitos independientes para poder realizar las mediciones. Las temperaturas que se alcanzan en verano en días soleados no superan los 50˚C y debido al color blanco del edificio, no se alcanza una temperatura suficiente para activar la bomba que alimenta el depósito de agua caliente sanitaria. Se consideró necesario modificar el color de la fachada para conseguir la temperatura mínima requerida.

3.3. Diseño optimizado y cumplimiento de prestaciones

Tras la identificación de los puntos de mejora, se definen los encuentros constructivos para el diseño optimizado final. En concreto de los siguientes elementos:

Marcos estructurales en fachadas hastiales

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En el diseño optimizado, se sugiere el uso de marcos estructurales permanentes formados por perfiles U200.80.6 normalizados y mecanizados en los muros no portantes, (figura 11) completados con unos marcos estéticos similares que rematan el borde vertical de los muros portantes y de la cubierta. De este modo, dicha estructura, que permite el soporte estable de las vigas de borde que sirven de replanteo para los paneles portantes, se instala en obra y forma parte del edificio final.

Figura 11.  Marcos estructurales.

Suponiendo así una optimización importante en tiempos de montaje y ahorro de costes.

El sistema optimizado, compuesto por marcos estructurales, marcos estéticos y paneles de fachada y cubierta se simula mediante programa de elementos finitos y cálculo matricial. El conjunto se modela y se somete a las concargas y sobrecargas de uso propios de una vivienda unifamiliar.

Se le aplican las condiciones de viento en zona expuesta según DBSE del CTE. En estas condiciones, el límite elástico del material no es alcanzado por la estructura, no suponiendo un problema a efectos de resistencia. Los desplazamientos resultantes, principal problema en el caso del aluminio debido a su módulo de Young, también entran dentro de los límites aceptables (desplome total:1/500 de la altura del edificio). Las deformaciones previstas para el conjunto con paneles opacos de al menos 1,2 m en la fachada sur se mantienen por debajo de 10 mm de desplome total con una altura de 7m. (figura 12). Se cumplen así los límites establecidos en el Código Técnico de la Edificación 1/700<1/500(límite CTE).

Figura 12.  Análisis matricial de sistemas estructurales planos (Aplicación X v.8.6.16 [09.2008]).

Este tipo de estructura es especialmente resistente a la acción sísmica. Se han realizado cálculos específicos para una zona de alta actividad sísmica, considerando la aceleración de base en la roca Z=0,40g y para un tipo de suelo con N_spt≥ 15. Se verificó el cumplimiento de la estructura en presencia de este fenómeno, confirmando resistencia y desplazamientos (figura 13). A cada frecuencia propia de vibración de la estructura le corresponden un modo de vibración y una amplitud de la misma. Al multiplicar ambas se obtiene la contribución de ese modo a los esfuerzos y desplazamientos en la estructura.

Figura 13.  Resultados, movimientos horizontales debidos al sismo.

Perfil “L” de encuentro entre solera y muros

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El encuentro entre la solera de hormigón y la estructura de aluminio se realiza a partir de perfiles de aluminio extruido en forma de L como base para la instalación de los muros de carga, y perfiles en forma de U como base para la instalación de las fachadas no portantes (figura 14). En primer lugar, se completa con el montaje de los marcos estructurales y entre ellos las vigas de borde. Dichas vigas de borde sirven para el apoyo y replanteo de los paneles portantes, montaje del forjado y trabajo desde la primera planta para instalación de la cubierta. Una vez la estructura esté completa, dichas vigas de borde trabajarán ya tal y como está previsto para la transmisión de cargas desde los forjados hasta los muros portantes.

Figura 14.  Encuentro entre solera y cerramiento Ls80*8, varillas roscadas y tuercas a ambos lados

Pletinas de unión entre la fachada y cubierta

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Se corrige el diseño de las pletinas de unión entre fachada y cubierta. Para evitar el problema de la holgura detectada en la prueba de montaje del prototipo, se rediseñan las pletinas para separar más los taladros entre sí y así reducir la holgura y el giro en dichas uniones. (figura 15).

Figura 15.  Detalle de los nuevos diseños de pletina para la unión de fachada y cubierta.

Encuentro en cornisa entre fachada y cubierta

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El problema detectado en el montaje inicial de prueba puso de manifiesto la necesidad de revisar el detalle de la cornisa, planteando un remate continuo de chapa plegada en el encuentro de cornisa entre fachada y cubierta (figura 16). Y a su vez se mejora el detalle para el caso de cubiertas con muy poca pendiente, ya que se planteaba el riesgo del retorno del agua por tensión superficial en el desagüe de los canales ocultos. Para evitarlo, se modifica el detalle constructivo con el objetivo de prolongar el vuelo de dichos canales.

Figura 16.  Encuentro de cornisa, con remate de chapa continuo

3.4. Construcción con diseño definitivo

El diseño optimizado definitivo se lleva a la práctica mediante la construcción de seis viviendas modulares de promoción pública en España, (figura 17) contratadas por la Consellería de Medio Ambiente, Territorio y Vivienda de la Junta de Galicia, mediante un concurso público para proyecto y obra.

3.5. Ensayos

3.6. Obtención de la Patente

"Estructura modular para la construcción de edificios", con número ES2716889 B2. El panel de aluminio extruido permite la ejecución de fachadas y cubiertas portantes, y cumple con la triple función; estructural, fachada ventilada y colector solar. En la integración de las tres funciones radica su innovación, garantizando la simplificación del proceso constructivo, y así se refleja en las reivindicaciones de su patente (21(21) V. Hermo, Estructura modular para la construcción de edificaciones, Spanish patent., ES 2 716 889 B2 OE PM 2015, n.d.
).

Esta patente clasifica la invención con los términos E (construcciones fijas), E04 (edificios), E04F (trabajos relacionados con acabados de edificios, es decir, escaleras, suelos), E04C (elementos estructurales, materiales de construcción), F24 (calefacción, placas decocción, ventilación), o F24D (sistemas de calefacción para viviendas residenciales u otros lugares, es decir, sistemas de calefacción central). La figura 18 muestra en vista 3D un edificio de poca altura formado por el ensamblaje de paneles de aluminio extruido con el diseño optimizado definitivo.

4.1. Estructural

En general, se considera que las estructuras son sensibles al viento si la frecuencia es inferior a 1 Hz y la relación de esbeltez es superior a cinco, (24-26(24) Lawson, R. M., Ogden, R. G., Pedreschi, R., & Popo Ola, S. O. (2005). Pre-fabricated Systems in housing using light steel and modular Construction. Steel Structures, 5, 477-48.
(25) Mendis, P., Ngo, T., Haritos, N., Hira, A., Samali, B., & Cheung, J. (2007). Wind loading on tall buildings. Electronic Journal of Structural Engineering. http://hdl.handle.net/10453/5822
(26) Holmes, J. D., Kwok, K. C., & Ginger, J. D. (2012). Wind Loading Handbook for Australia and New Zealand: background to AS/NZS1170. 2 wind actions. Australasian Wind Engineering Society.
). Por lo tanto, el análisis estático es apropiado para edificios de menos de 50 m de altura (24(24) Lawson, R. M., Ogden, R. G., Pedreschi, R., & Popo Ola, S. O. (2005). Pre-fabricated Systems in housing using light steel and modular Construction. Steel Structures, 5, 477-48.
).

Es difícil comparar las respuestas estructurales de varios sistemas de construcción bajo cargas de viento porque las cargas laterales de viento son soportadas y transferidas usando elementos de arriostramiento y/o revestimiento de muros y luego son transportadas a los cimientos (27-28(27) Annan, C. D., Youssef, M. A., & El Naggar, M. H. (2008). Seismic overstrength in braced frames of modular steel buildings. Journal of Earthquake Engineering, 13(1), 1-21.https://doi.org/10.1080/13632460802212576
(28) Lawson, R., Ogden, R., Pedreschi, R., Grubb, P. J., & Ola, S. P. (2005). Developments in pre-fabricated systems in light steel and modular construction. Transport, 35(15), 15.
).

El denominador común de todas las publicaciones de referencia es la importancia de las conexiones entre los componentes, concretamente los refuerzos laterales o muros de cortante, que se utilizan para conseguir la estabilidad lateral de una estructura (29-30(29) Ramaji, I. J., & Memari, A. M. (2013, February). Identification of structural issues in design and construction of multi-story modular buildings. In Proceedings of the 1st residential building design and construction conference (pp. 294-303).
(30) Lawson, R. M., Ogden, R. G., & Bergin, R. (2012). Application of modular construction in high-rise buildings. Journal of architectural engineering, 18(2), 148-154.https://doi.org/10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000057
). En el caso del muro de aluminio extruido de este estudio, los refuerzos laterales fueron absorbidos por el marco estructural y un panel opaco rígido compuesto por doble tablero de OSB con rastreles formando un sándwich.

Lawson et al. (28(28) Lawson, R., Ogden, R., Pedreschi, R., Grubb, P. J., & Ola, S. P. (2005). Developments in pre-fabricated systems in light steel and modular construction. Transport, 35(15), 15.
) estudiaron el comportamiento de la fachada de una construcción modular de una planta calculada con elementos finitos, sometida a una carga de viento de diseño de 0,86 kN/m², correspondiente a una localización en las Midlands de Inglaterra. Se obtuvo una deflexión horizontal total de 4,8 mm por debajo del límite de servicio. Lawson exploró el comportamiento de revestimientos con diferentes materiales. El panel revestido de madera contrachapada mostró un buen comportamiento, con un aumento de la carga de diseño del 95% en comparación con el panel revestido de cartón yeso.

En el sistema estudiado en este artículo, la carga de viento de diseño es de 0,46 kN/m² , definida por el Código Técnico de la Edificación de la provincia de Pontevedra. En el peor de los casos, es decir, una construcción de dos plantas con un único vano, la longitud del panel opaco (en este caso, de tablero de virutas orientadas) debe ser de 1,20 m para obtener deformaciones inferiores a 10 mm, que es el límite establecido por la normativa nacional. Por lo tanto, la seguridad de la estructura se demostró en el peor escenario descrito por la normativa y para la solución formal menos estable.

4.2. Envolvente ventilada

Los resultados de la prueba de estanqueidad confirman que la versión optimizada del sistema funciona adecuadamente como cubierta y fachada ventiladas. El sistema obtuvo excelentes resultados en la prueba, demostrando que tras 30min de prueba y un periodo de espera adicional de 60', había un 0% de filtraciones al interior.

Estudios similares fueron realizados por Arce-Recatalá 2020 (31(31) Arce-Recatalá, M., García-Morales, S., & Van den Bossche, N. (2020). Quantifying wind-driven rain intrusion: a comparative study on the water management features of different types of rear-ventilated façade systems. In 12th Nordic Symposium on Building Physics (NSB) (Vol. 172). EDP Sciences. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017223007
), en los que ensayó la estanqueidad al agua en tres Mock-ups con tres tipos diferentes de fachadas ventiladas en condiciones de ensayo en laboratorio. Los resultados mostraron que aproximadamente el 25% del agua pulverizada se había infiltrado en la cavidad y menos del 0,5% del agua pulverizada pudo alcanzar la barrera resistente al agua. Estos datos se determinaron en función de las dimensiones de las juntas.

Otro estudio realizado por la FVFH (Asociación de Materiales y Componentes para Fachadas Ventiladas (Fachverband für vorgehängte hinterlüftete Fassaden e.V. (FVHF)) informó que el 16,6% del agua pulverizada se infiltró en la cámara de aire y el 0,4% alcanzó la superficie exterior de la capa de aislamiento térmico (32(32) FVHF, FVHF (2015), Retrieved from:, (2015). http://www.fvhf.de/facade/VHFSystem/Merkmale.php
).

4.3. Colector solar

Los resultados obtenidos con el colector solar de la fachada negra muestran una variación diaria de temperatura en el depósito de agua de 12,2˚C durante el verano. Algunos estudios sobre colectores integrados en edificios muestran mejores resultados, como el de Liu et al. (33(33) W. Liu, T.-T. Chow, Experimental and numerical analysis of solar-absorbing metallic facade panel with embedded heat-pipe-array, Applied Energy. 265 (2020) 114736. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114736
), que analizaron un colector solar de doble función capaz de proporcionar calentamiento de agua en estaciones cálidas con variaciones de temperatura en el depósito de agua de 16,5˚C. en el día típico de verano. La eficacia de este sistema puede ser menor que la de un colector solar convencional; sin embargo, tiene la ventaja de una mayor disponibilidad de superficie y de integración arquitectónica, ya que toda la cubierta y dos fachadas de cada edificación pueden utilizarse como colectores solares.

Como en nuestro caso, el color del panel tiene un claro impacto en la eficiencia del colector, destacando los estudios sobre colectores solares integrados para el calentamiento de agua de Anderson et al. (34(34) Anderson, T. N., Duke, M., & Carson, J. K. (2010). The effect of colour on the thermal performance of building integrated solar collectors. Solar energy materials and solar cells, 94(2), 350-354. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2009.10.012 .
) que demostraron que los colectores negros pueden proporcionar el 78% de la carga de calentamiento de agua, mientras que los blancos pueden proporcionar aproximadamente el 25%. Sin embargo, otros colores distintos del negro, que pueden ofrecer mayores oportunidades de integración arquitectónica, y proporcionar porcentajes elevados de carga de calentamiento: gris 75%, verde 68% y rojo 58%.