Aspectos generales para el diseño de fachadas ligeras (AFL, 2010)

Sumario-- El objeto de este artículo es presentar una serie de conceptos técnicos, que sean de utilidad para su aplicación en Proyectos de fachadas, con el fin de obtener un diseño óptimo, que beneficie los requerimientos arquitectónicos, de normativa, coste económico y tiempos de puesta en obra.

1. INTRODUCCIÓN

El conocimiento de aspectos generales de diseño de fachadas, permite a los Proyectistas integrar soluciones óptimas, compatibles con los elementos que rodean el cerramiento.

Por muro cortina se entiende un cerramiento ligero, formado generalmente por elementos estructurales verticales y horizontales y rellenos para formar una piel continua, en la cual su peso es igual o inferior a 200 Kg. / m², que se ancla y cuelga, de ahí su nombre, a los sucesivos forjados de un edificio.

El caso más común es un fachada con elementos de altura equivalente a una planta, con una retícula autoportante metálica vinculada a los forjados, que se cierra con diferentes tipos de paneles ligeros de relleno, predominando el vidrio.

El Código Técnico de la Edificación ha determinado unos valores necesarios a cumplir de cuatro parámetros, en función de datos experimentales, tomados en los meses de verano e invierno. Estos cuatro parámetros son la transmitancia térmica, permeabilidad al aire, control de condensaciones y factor solar.

Como se describirá más adelante, la transmitancia térmica y el control de condensaciones se consigue mediante la rotura de puente térmico, la permeabilidad al aire con el sistema de juntas y el factor solar a través del vidrio o complementándose con elementos de protección solar.

2. PARÁMETROS DE DISEÑO

2.1. Anclajes

El anclaje es el elemento que transmite las cargas de viento y gravitatorias de los paneles de fachada a la estructura del edificio.

Los anclajes deben estar situados encima del forjado (Figura 1) y evitar situarlos en el canto de forjado (Figura 2), por las condiciones de desventaja que genera.

Figura 1.  Imagen de anclaje situado encima de forjado.

Figura 2. Imagen de anclajes situados a canto de forjado. Se observa como se precisan medios auxiliares de elevación para poder llevar a cabo su montaje.

La ventaja del anclaje situado encima del forjado es permitir su montaje desde el interior. El operario se puede situar en el forjado, con las medidas de seguridad de protección colectivas (como redes verticales) o individuales (línea de vida) y se evita la utilización de medios auxiliares de elevación por el exterior, con el correspondiente ahorro económico (Figura 2 y 11).

Este ahorro se incrementa de manera acentuada, cuando se trata de edificios en altura, donde los trabajos de fachada, por concepto, se deben realizar desde el interior del edificio (Figura 11).

El anclaje debe tener  regulación tridimensional, para absorber las desalineaciones de la estructura del edificio, sobretodo en dos puntos clave: en altura, por desnivel de suelo, y salida, por irregularidades del canto de forjado. Estos dos parámetros inciden directamente en la envolvente de la fachada.

Es fundamental, que estos valores de tolerancia se indiquen en los planos y memorias de proyecto, para que haya una coordinación con las tolerancias de construcción de la estructura del edificio.

El éxito de esta coordinación en fase de proyecto, depende que no se incrementen costes económicos y plazos de entrega en fase de obra, al tener que adecuar la estructura, porqué el anclaje no pueda subsanar las desalineaciones producidas por la misma.

Las estructuras, debido a la naturaleza de los materiales, tienen una tolerancia de centímetros y las fachadas de vidrios de milímetros. Esta transición entre los dos materiales se debe llevar a cabo con el anclaje. Por tanto, debe acordarse en la fase de proyecto, las tolerancias de estructura con las tolerancias del anclaje.

2.2. Bastidor de aluminio

El bastidor de aluminio debe incorporar las juntas de estanquidad y de acristalamiento. Se deben conocer los márgenes de ancho y altura de los perfiles, para no superar los límites de deformaciones que indica la normativa UNE EN-13380 Fachadas Ligeras, para cargas gravitatorias, donde el valor mínimo de deformación máxima es el más desfavorable entre la longitud entre apoyos entre 500 y 3 mm. En cargas de viento, el valor mínimo de deformación máxima es el más desfavorable entre la longitud entre apoyos dividido entre 200 y 15 mm.

Superar estos valores, en el caso de las cargas gravitatorias, supone apreciar la deformación permanente del perfil.

Se debe tener en cuenta, que siempre existe la deformación, porqué todos los materiales y estructuras se deforman como respuesta a la aplicación de una carga. No es ningún fallo, sino una característica esencial que indica que la estructura trabaja.

Por tanto, se debe encontrar el equilibrio entre el diseño y el coste de materiales, que supone conseguir grandes anchos sin tener que reforzar los perfiles.

2.3. Juntas: concepto de drenaje y ventilación

El comportamiento contra el agua y su drenaje es un aspecto fundamental en un muro cortina. A través de las juntas, el agua puede llegar a penetrar y no se trata de cuanta puede entrar, sino como se comporta una vez dentro y como se drena esta al exterior.

El agua es el principal inconveniente en las fachadas, por tanto, hay que recogerla, conducirla y evacuarla.

Se deben prever mecanismos para lograr la estanquidad y en el caso que se produzcan filtraciones, disponer de una canal interior para conducir y facilitar su salida al exterior (Figura 3).

Figura  3. Vista en sección vertical de sistema stick. Se observa los canales de drenaje para conducir posibles infiltraciones.

La ventilación garantiza la salida del agua, por tanto debe existir un apertura de entrada y una de salida de aire (Figura 4). Un ejemplo, es el funcionamiento de un botijo, para salir el agua deben estar libres los dos aperturas, si cierras una, el agua no circula hacia el exterior.

Figura 4. Vista en sección vertical de sistema stick. Se observa la linea de color rojo es el canal de ventilación para evitar condensaciones (en zonas opacas) y la linea de color azul es el canal de drenaje, para conducir posibles infiltraciones al exterior.

Los sistemas de fachadas deben solucionar la estanquidad al agua y al aire con un sistema de juntas entre paneles de vidrio. Estas barreras suelen estar formadas por perfiles preformados de EPDM.

Un concepto importante es el conocimiento que las fachadas respiran y drenan (Figura 5).

Figura 5. Se muestra la sección vertical de sistema de fachada donde se muestran los canales de drenaje.

Los sistemas de fachadas deben superar una serie de ensayos en un laboratorio de un organismo oficial, que garanticen los valores indicados por la norma UNE EN 13830 Fachadas Ligeras.

2.4. Rotura de puente térmico

El puente térmico es una zona donde se transmite el calor por conducción, en este caso por el aluminio, que es un buen conductor térmico. Para evitar esta fuga se usa lo que se denomina rotura de puente térmico. Consiste en evitar que la cara interior y exterior tengan contacto entre sí, intercalando un material de baja conductividad térmica, embutido en el propio perfil de aluminio.

El sistema de rotura más empleado es la varilla de poliamida, que es un producto termoplástico autorizado por la normativa europea.

Las ventajas del uso de rotura de puente térmico son :

- El ahorro de energía y reducción de la transmitancia térmica de la fachada. Por tanto, se reducirán las emisiones de dióxido de carbono.

- La limitación de la condensación. Cuando la temperatura exterior es muy baja y en el interior hay humedad relativa elevada, se da el fenómeno de la condensación sobre los perfiles interiores, debido a que el perfil interior está por debajo de la temperatura de rocío. La masa de aire  húmedo interior se enfría al entrar en contacto con el aluminio, y dicho aire pasa de estado gas a líquido.

Dentro del sistema de fachada, la poliamida debe mantener la continuidad del aislamiento,  que genera la unidad de vidrio aislante (Figura

6).

Figura 6. Sistema modular de fachada, donde se aprecia la varilla de poliamida con función de rotura de puente térmico.

El incremento económico que supone esta mejora es sobradamente recuperada por una reducción entre el 10% y 15% del consumo energético del total del edificio.

2.5. Vidrio

El vidrio, como elemento con más presencia en la fachada, forma parte del filtro que permite obtener la luz y utilizarla como se desee.

Una de las principales cuestiones a resolver  de las fachadas, es obtener un eficiente control solar, con alta transparencia luminosa, al tiempo que un balance térmico positivo.

El balance térmico dependerá de la orientación de la fachada y la época del año. El cerramiento deberá ser capaz de ganar calor cuando las temperaturas externas son bajas y rechazarlo, en caso contrario, favoreciendo o evitando el efecto invernadero.

El efecto invernadero, consiste en la energía solar que entra en un edificio a través de un acristalamiento, es absorbida por los objetos, que al calentarse, reemiten una radiación térmica  en forma de onda infrarroja, a la cual los vidrios son opacos. La energía solar que entra, queda apresada en el edificio que tiende a calentarse. Un ejemplo, es el interior del coche a pleno sol, con las ventanillas cerradas, que los objetos como el salpicadero emiten calor que no puede ser evacuada a través de los vidrios. Para evitarlo, una solución es garantizar la circulación de aire.

Es importante conocer como obtener beneficio de cada orientación, según la trayectoria del Sol (Figura 7):

- Orientación norte: no se beneficia del sol,  pero la calidad de luz natural es muy constante, no produce reflejos, no calienta. Las naves industriales de diseño tradicional con cubiertas en forma de diente de sierra, orientaban las zonas de visión a norte y las zonas opacas a sur. Las bibliotecas, salas con ordenadores o zonas de oficinas buscan esta orientación.

- Orientación sur: aprovecha al máximo los beneficios del sol en invierno y permite obtener ganancias térmicas durante los meses fríos, donde la trayectoria del sol es baja. En verano, donde la trayectoria del sol es alta, se deben prever elementos de protección solar.

- Orientación este y oeste: reciben la máxima energía en verano, por la mañana se aprovecha la luz del este y por la tarde del oeste. La posición del sol es baja, se deben prever elementos de protección solar, con el fin de reducir la entrada de calor y los efectos de deslumbramiento.

Figura 7. Trayectoria que realiza el sol según estación del año. Se observa como en invierno, la trayectoria del sol es más baja y en verano es más alta.

2.6. Transmitancia térmica

La transmitancia térmica, denominada U, es la transferencia de calor por conducción y convección a través de una fachada de vidrio. El término expresa el flujo de calor que atraviesa un metro cuadrado de cerramiento por una diferencia de temperatura de un grado centígrado entre los ambientes exterior y interior (Figura 8).

Figura 8. Imagen donde se expone el concepto de transmitancia térmica (U), como el paso de la energía a través de un sólido, en este el caso el vidrio. Como más valor sea el valor U, indica mejor aislamiento .

La transmitancia de una fachada de vidrio se obtiene con la ecuación siguiente:

U_H,V =  1 / R_se + e / λ + R_si

Donde:

U_H,V  es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [ W/m²·K]

R_si es la resistencia superficial interior

[ m²·K/W]

R_se es la resistencia superficial exterior

[ m²·K/W]

e es el espesor del material [m]

 λ es la conductividad térmica del material

[ W/m·K]

El Código Técnico de la Edificación indica los valores mínimos a cumplir de transmitancia térmica en función de la situación de la región. En el caso de Barcelona, se considera zona climática C 2 y por tanto se exige un valor mínimo de 3.4 W/m²·K.

2.7. Factor Solar

El factor solar se define como la cantidad de energía que penetra en el interior del edificio a través del vidrio respecto la relación solar que incide. Es la suma de la transmisión de energía directa y la reemisión interior de energía (Figura 9).

La transmisión de energía directa es la parte de la energía solar que se transmite a través del vidrio.

La absorción energética (A E) es la cantidad de energía solar absorbida por el vidrio, esta absorción provoca un aumento de la temperatura del mismo, irradiando hacia el exterior y hacia el interior parte de la energía absorbida.

La transmisión luminosa (T L) es la cantidad total de luz visible que atraviesa un acristalamiento.

Figura 9. Características luminosas y energéticas de la radiación solar y como se definen cada uno de los conceptos en su interacción con el vidrio. El Factor solar es la suma de la transmisión energética directa y energía retransmitida al interior producto de la absorción.

El Código Técnico de la edificación, en el documento básico HE-Ahorro de energía especifica los valores máximos de factor solar, según la zona climática donde se sitúa el edificio, la orientación de la fachada, el tanto por ciento de huecos sobre el total de fachada y la carga interior del edificio. En el caso de la ciudad de Barcelona, se considera zona climática C 2 y por tanto se exige un valor mínimo factor solar de un 51 %.

2.8. Elementos de protección solar

Los elementos de protección solar más importantes se describen a continuación:

-Vidrio: obtener el control solar con vidrio, se requieren altas prestaciones que proporcionen una relación óptima entre transmisión de luz y factor solar, lo que se denomina Índice de Selectividad, que mejora cuando más se aproxima a la unidad.

De un rayo de luz incidente,  el 5% de la radiación solar es ultravioleta de longitud de onda corta, el 50% es luz y el 45 % es calor, por tanto, longitud de onda larga (Figura 10).

Figura 10. Espectro de radiación del sol, que se reparte en tres rangos:

-       Ultravioleta: 280-380 nm es el 1% radiación.

-       Luz visible: 380-780 nm- es el 54% radiación.

-       Infrarrojo: 780-2500 nm  es el 45% radiación.

La utilización de los recubrimientos de plata en los vidrios float, han dado como resultado una reducción de la emisividad (la emisividad es una característica de la superficie de los cuerpos, cuanto más baja es la emisividad, menor es la transferencia de calor por radiación)  mejorando la transmitancia térmica hasta valores de 1.1 W/m²·K ( La U de un vidrio float transparente es de 5 W/m²·K y la de un vidrio aislante transparente de 2.8 W/m²·K aproximadamente). Estas capas poseen una gran selectividad entre radiación visible (parte de la radiación solar que proporciona la luz) y radiación infrarroja (parte de la radicación solar que da calor), siendo muy transparentes para la luz visible reflejando una parte de la radiación infrarroja

- Parasoles: el parasol como elemento adicional a la fachada, lo introdujo Le Corbusier, cuando diseño los Brise Soleil. Es la solución más utilizada, construidos con los más diversos materiales formando paneles verticales u horizontales, fijos o móviles. Es importante, como concepto, situar los parasoles al exterior de la fachada y nunca en el interior, ya que la radiación del sol se emite en longitud de onda corta y al incidir sobre los cuerpos, estos experimentan una variación de temperatura y emiten energía en longitud de onda larga, que es la radiación infrarroja, que genera calor. Un parasol horizontal es funcional orientado al sur, cuando el sol está en su punto alto, y por tanto, aporta sombra sin interrumpir visión. Al este y oeste el parasol tiene que ser vertical y orientarse para seguir el ciclo solar. Una opción más avanzada es utilizar parasoles de vidrio de altas prestaciones, con el incremento económico que supone.

- Screens: derivan de los tradicionales toldos, se disponen en forma paralela al vano. La tela es de origen sintético, con alto nivel de reflexividad, una malla con pequeños intersticios que permiten ver a través de ellos y filtran la mayor parte de la radiación solar incidente.

 -Celosías: grandes mallas formadas por elementos opacos, fijos o regulables, que permiten una visión fragmentaria del exterior.

Como pauta de selección, el objetivo es filtrar la mayor cantidad posible de radiación solar térmica para permitir el paso de luz natural, reduciendo el consumo energético de la climatización.

2.9. Sistemas de fachada

Una clasificación de los sistemas de fachada según su construcción, fabricación y montaje podría ser la siguiente:

- Modular: esta tipología consiste en fabricar en el taller unos módulos totalmente acabados, incorporando paneles, ventanas y sus correspondientes vidrios. La altura de estos módulos coinciden con la distancia entre forjados. Por tanto, cada módulo tiene su propio anclaje y es independiente del resto de módulos (Figura 8). Este sistema es rentable para edificios de grandes superficies y edificios en altura, porqué su rendimiento de montaje es tres veces superior al resto de sistemas.

- Stick: esta tipología consiste en fabricar en taller los perfiles verticales y horizontales, con sus respectivos accesorios. En obra se realiza el ensamblaje de de los perfiles para forma la retícula, donde posteriormente se incorporarán los vidrios, ventanas y paneles.

- Semi modular: es un sistema híbrido entre los anteriores, que consiste en ensamblar los perfiles en obra para formar la retícula y posteriormente unir los vidrios encolados a un perfil, a través de este mismo.

Estos dos últimos sistemas implican trabajar por el exterior de fachada, con medios auxiliares de elevación, pero son más rentables para fachadas de áreas inferiores aproximadamente a 3.000 m², y edificios de altura media.

2.10. Modulaciones de fachada

Según la tipología del proyecto se deben tener en cuenta unos aspectos que afectan la modulación de fachadas, en su ancho y altura.

Si el edificio es un rascacielos (Figura 11), se aconseja un sistema de fachada modular donde la altura del panel sea igual a la altura de una planta y un ancho de 1.2 metros aproximado. Esto permite que el montaje de paneles se pueda realizar desde el interior del edificio, porqué con estas dimensiones se pueden manipular sin realizar intervenciones del exterior, lo que supone una optimización de costes de mano de obra y medios auxiliares.

Figura 11. Imagen de montaje de fachada modular, donde se muestra el montaje que se realiza desde el interior, sin medios de elevación exteriores, los operarios utilizando las protecciones de seguridad individuales y izando el módulo prefabricado totalmente acabado. Se muestran los anclajes encima del forjado. Se observa que el edificio es de gran altura.

Si el edificio presenta un área superior a los 3.000 m² de fachada, también se puede optar por un sistema modular si la definición del proyecto se lleva a cabo en cuatro meses del inicio de la obra. El sistema stick permite un inicio anterior al sistema modular, con la contraprestación de un rendimiento inferior de montaje.

2.11. Aislamiento al fuego

El aislamiento al fuego de 1 metro de longitud,  entre el paso de forjados, que indica el CTE en su Documento Básico Seguridad en caso de incendio,  se puede resolver realizando una intervención in situ posterior al montaje de fachada, instalando un panel de lana de roca anclado a forjado, con una subestructura   independiente a los módulos de fachada. Como acabado a los huecos que se producen entre panel y estructura, se utilizan masillas intumescentes en las entregas (Figura 12).

Es importante estudiar este apartado en fase de proyecto, conjuntamente con el resto de fachada, para obtener una solución adecuada y óptima.

Figura 12. Sistema cortafuegos in situ, formado por panel de lana de roca anclado a forjado, con una subestructura independiente a la de fachada.

2.12. Acabados

Los remates de acabado de una fachada, marcan el nivel de calidad final de esta. La base es un buen diseño y utilizar los materiales adecuados a cada aplicación. Para obtener el éxito en este apartado, se debe prever en la fase de proyecto.

Durante la construcción, son muchos los huecos que aparecen por resolver y se solucionan en la recta final de obra, donde el dinero y el tiempo tienen mucha influencia, lo que va en contra de la calidad.

No se debe utilizar en exceso materiales como las chapas de acero y aluminio, porqué su gran flexibilidad pueden conducir a grandes desarrollos, donde estos materiales tienden a deformarse y dar a un aspecto cuestionable y insatisfactorio.

En la fase de proyecto se deben prever las entregas de la fachada con el techo, suelo, divisorias, esquinas y todos los elementos correspondientes, para dejar resueltos, los posibles puentes térmicos, acústicos, cortafuegos y estética de los elementos de acabado (Figura 13).

Figura 13. Imagen de sección vertical de una fachada con la interacción con todos los elementos de acabado como suelos técnicos, falsos techos, estructura, aislamiento al fuego. Esta imagen se debe visualizar en la fase de proyecto.

3.-CONCLUSIONES

Los conceptos técnicos expuestos son resultado de la experiencia, estudio e investigación llevada a cabo en la participación en diversos proyectos.

La aportación de este artículo, debe ayudar al estudio riguroso de los proyectos de fachada, obteniendo como resultado el éxito de este apartado de la obra, que queda a la vista de todos los que admiran el edificio.

Con un proyecto definido, conjuntamente con ensayos, estudios, industria y construcción, nos conduce al éxito con  fachadas cada vez mejor resueltas (Figura 14).

Figura 14. AC Hoteles y Centro de Convenciones  Arquitecto: Josep Lluís Mateo MAP ARCHITECTS. Consultor de fachadas: Xavier Ferrés i Padró.

Publicado en la revista AFL Arquitectura de Fachadas Ligeras, marzo 2010.