Cómo Diseñar y Optimizar Fachadas Ventiladas de Piedra Natural

La piedra dadas sus propias características intrínsecas naturales es uno de los materiales sostenibles por excelencia, puesto que no requiere de ningún procesamiento industrial durante su extracción y elaboración. Estas y otras muchas particularidades, lo convierten en un excelente material para ser empleado como revestimiento y particularmente en el caso que nos ocupa, para fachadas ventiladas.

En este post te vamos a mostrar todos aquellos aspectos técnicos a tener en cuenta a la hora de definir, diseñar, optimizar e instalar una fachada ventilada de piedra natural.

Todo material empleado en construcción debe ser correctamente caracterizado para asegurar que cumple con los requisitos del Código Técnico de la Edificación y/o la normativa vigente de cada país y garantizar que su aplicación se hace bajo unas condiciones de seguridad óptimas tanto en el corto como en el largo plazo.

Partimos por tanto de la necesidad de conocer y/o determinar los parámetros físico-mecánicos del material. Estos parámetros en el caso de obras sencillas y de poca envergadura, puede bastar con solicitarlos a la propia cantera, quien regularmente y en función de las variaciones de las zonas de extracción realiza ensayos normalizados y tiene la obligación de facilitar. No obstante, en el caso de diseños complejos, y/o obras de gran envergadura, lo más recomendable es realizar «un doble chequeo», es decir, realizar una batería de ensayos de caracterización sobre una muestra representativa de la zona de la que se extraerán los bloques, con el fin de tener mayor fiabilidad, y rigor sobre nuestros cálculos, aspecto que además nos va a ayudar a dimensionar nuestra fachada de forma que incluso podamos ahorrar costes. Además de los ensayos, será recomendable verificar la geología de la zona, homogeneidad del frente de cantera, uniformidad del veteado, color del fondo, composición química, grado de microfisuración y macrofisuración, etc.

A partir de aquí, ya contamos con información de la máxima fiabilidad a partir de la cual realizar nuestros cálculos para diseñar y dimensionar nuestra fachada ventilada de la forma más óptima posible.

CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE FACHADAS VENTILADAS DE PIEDRA NATURAL:

Uno de los parametros a tener en cuenta de cara al cálculo de nuestra fachada será la Resistencia. Se trata de una variable significativa en el “Método de Estado Límite” representada por los valores característicos, que corresponde con una probabilidad especificada que no debe ser infringida. Por lo general el valor más bajo es el más desfavorable, por lo tanto, el 5% más bajo se considera entonces como valor característico.

En el diseño de fachadas ventiladas son determinantes la Resistencia a la Flexión y Tracción, si bien en algún caso para alguna zona específica puede ser necesaria también la Resistencia a la Compresión. Tal y como venimos diciendo, los resultados de dichos ensayos deben ser interpretados teniendo en cuenta la propia anisotropía natural del material que va a depender del tipo de roca del que se trate.

Básicamente la piedra se subdivide en 3 tipos básico en función de su génesis, aspectos que van a influir directamente en nuestros cálculos ya que las alineaciones, vetas y/o planos que presenta como consecuencia del tipo de depósitos y esfuerzos a los que ha estado sometida, van a actuar como planos de debilidad del material, por lo que habrán de ser muy tenidos en cuenta:

• Rocas Sedimentarias: Las capas o alineaciones dominantes que presenta la piedra están relacionadas con la orientación de depósito.
• Rocas Metamórficas: Normalmente formadas a partir de rocas sedimentarias, (aunque también puede pueden provenir de rocas ígneas) como resultado de la presión y la temperaturas lo suficientemente altas como para dar lugar a cambios mineralógicos y estructurales que transformarán la piedra original pero en la que no llega a producirse fusión). Las rocas metamórficas se caracterizan por presentar «foliación», es decir una alineación principal de su estructura en función del principal esfuerzo al que estuvieron sometidas
• Rocas Ígneas: Si bien en muchos casos se caracterizan por tratarse de rocas masivas, en muchas ocasiones se pueden observar una dirección de flujo o una micro fracturación de enfriamiento.

Como se puede deducir, ya se trate de un tipo de roca u otro, toda piedra natural va a contener por tanto vetas, foliaciones o planos de estratificación, microfracturaciones, en definitiva una serie de «planos de debilidad» que han de ser tenidos en cuenta tanto a la hora de realizar e interpretar los ensayos de laboratorio, como en el momento de decidir la forma de corte más conveniente para nuestras placas de fachada, ya que ésta también influirá tanto a nivel estético como en las propiedades mecánicas del material, lo que se traduce en costes.

ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DE PIEDRA NATURAL PARA EL DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE FACHADAS VENTILADAS

Tal y como venimos diciendo, los ensayos se deben realizar teniendo en cuenta la naturaleza del material, así como las características de nuestra fachada ventilada, el formato, tipo de anclaje, etc. con el fin de poder definir el espesor óptimo de las placas de piedra.

No existe ninguna norma que establezca el espesor mínimo del aplacado de piedra, aunque la norma NTE-RPC (obsoleta) y UNE 41957-1:2000 (anulada) recomendaban un espesor mínimo de 30 mm para el anclaje de bulón.

Actualmente para el dimensionamiento de las placas se utiliza el método del anexo A de la norma UNE-EN-1341 considerando en este caso los esfuerzos horizontales máximos esperados debido a la acción del viento (CTE DB-SE-AE) y la acción sísmica (NCSE-02 y UNE-EN 1998-1). La acción del viento y la acción sísmica no se consideran concurrentes, por lo que se analizan de forma separada.

Los principales ensayos según la normativa son:

• UNE-EN 12372 – Resistencia a la flexión bajo carga concentrada.

• UNE-EN 13161 – Resistencia a la flexión a momento constante.

• UNE-EN 13364 – Determinación de la carga de rotura para anclajes.

En el proceso de selección de la piedra natural, recomendamos hacer una preselección de materiales que cumplan con aquellas restricciones más importantes de nuestra fachada ventilada (formato de piezas, tipo de corte, etc que se traducen en aspectos estéticos y económicos) así como los puramente técnicos como la resistencia de la piedra, ya que en función de las propiedades físico-mecánicas podemos obtener la solución técnica -tipología de anclaje- que mejor ajuste a nuestra fachada:

• Resistencia a la Flexión
• Resistencia a la Tracción

CÁLCULO DEL ESPESOR MÍNIMO DE PLACAS DE PIEDRA PARA FACHADAS VENTILADAS

En la fase de Diseño de nuestra Fachada Ventilada de Piedra Natural, deberemos hacer los dos supuestos tanto a flexión como a tracción, para determinar el espesor mínimo y tener en cuenta el más desfavorable:

Diseño a Flexión.

El espesor mínimo de la piedra vendrá determinado en cada caso por una fórmula donde los principales factores son la Carga de Viento y la Resistencia a la Flexión de Diseño.

Por lo general, el diseño a flexión viene determinado por el momento flector gobernante a lo largo de la dimensión más corta.

El modelo estructural viene representado por el modelo de losas en un solo sentido y los puntos de fijación como apoyos simples. En función del sistema de anclaje puede ser un sistema estructural de losa con o sin voladizo por los dos lados.

La carga operacional viene determinada por el viento y los terremotos que causan flexión. El peso propio no es considerado puesto que su efecto es irrelevante para paneles colocados verticalmente.

Diseño a Tracción (Pull-out Test)

En las cercanías de los puntos de anclaje es donde se crea la mayor tensión, es por esto por lo que el espesor de la piedra va a ser más dependiente de la resistencia al anclaje que de la flexión.

Esta resistencia a la tracción va a ser crucial para determinar la carga de rotura.

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS- OPTIMIZACIÓN DE FACHADA VENTILADA

Para aquellos Proyectos Singulares que utilicen Despieces Especiales y por lo tanto se escapen de lo que denominaríamos un proyecto más habitual, para los que existen soluciones más o menos estandarizadas. además de la realización de ensayos, recomendamos utilizar el Método de Elementos Finitos.

Está demostrado que el Modelo de Elementos Finitos (MEF) es un método válido para determinar los valores de resistencia la flexión y tracción de la piedra natural en fachadas ventiladas en función del tipo de piedra, formatos, tipo de anclaje a utilizar y cargas a implementar. El MEF nos permite hacer un estudio comparativo entre materiales, entre diferentes formatos y/o espesores, etc, de tal manera que podemos determinar la tensión de tracción y finalmente el espesor optimo de nuestro aplacado de piedra natural.

El MEF nos permite hacer un estudio comparativo entre materiales, de tal manera que podemos determinar la tensión de tracción y finalmente el espesor optimo de nuestro aplacado de piedra natural.

En función del diseño de nuestra fachada ventilada y de la resistencia de la piedra podemos seleccionar uno de los sistemas de anclajes puntuales existentes actualmente en el mercado (bulón, ranura, destalonado) y de los que hablaremos en un próximo post. La elección del sistema de anclaje tiene sus repercusiones sobre los formatos que se pueden instalar en cuanto a seguridad y coste ya que unos pueden llegar a admitir formatos mayores con menores espesores de piedra, pero el coste será mayor. De ahí la importancia de determinar en función de los requerimientos de la fachada (diseño, tipo de piedra, tamaños deseados, etc, tamaño, orientación y forma de la fachada, etc…) el sistema de anclaje más adecuado tanto a nivel económico como de seguridad.

Este sistema de anclaje puntual irá fijado sobre sobre la perfilería que será la que transmitirá la carga al edificio a través de las ménsulas de carga.

A continuación os mostramos diferentes ejemplos de perfilería y anclajes:

Son muchos los aspectos a tener en cuenta a la hora de diseñar e instalar una Fachada Ventilada en Piedra Natural, pero no más que las de cualquier otro material como la cerámica, vidrio, o los composites que van a tener como desventaja fundamental su naturaleza artificial.

Esperamos que este post hay sido de interés y de utilidad, inspiración ó ayuda. Pero en cualquier caso estamos a vuestra disposición para intentar solventar cualquier duda tanto referente a este post como a cualquier proyecto en el que esté trabajando. Nos pueden localizar a través de las diferentes formas de contacto de en nuestro sitio web.

Por supuesto, estaremos encantados de conocer vuestras opiniones.

Nota: Imagen de Portada. Edificio 611 West 56 St, Manhatan, NY. Arquitecto: Alvaro Siza