Revista publicada por la Asociación Mexicana de Ventanas y Cerramientos, A.C.
[  Procesos y Tecnología ]
 
Vidrio de protección: Definiciones y usos

Maestrante: Arq. Francisco M. Barrera García
e-mail: francisco.barrerag@gmail.com Cel.: 044-55-9199-1461
Profesor: Dr. Daniel Aldama Ávalos

Resumen

El presente ensayo da un panorama sobre las actualizaciones del vidrio plano de seguridad, el origen del vidrio, su composición, morfología, tipo de fractura, cómo se clasifican los productos de seguridad y protección, y se otorga un panorama de las aplicaciones de los mismos y diferencia entre ambos: “LA SEGURIDAD”.

El origen del vidrio

El escritor romano Plinio, el Viejo (23-77), en su "Historia Natural" (año 77), describe como los fenicios descubrieron por accidente el vidrio. Dice que alrededor del año 5000 a. C., unos marinos y mercantes preparaban sus alimentos en las playas del rio Belus, y usaron unos bloques de nitrato de sodio que traían. El calor de las brasas fundió la arena y carbonato de sodio y, al enfriarse, dejo como resultante el primer vidrio fabricado por el hombre.

Pasando por Egipto, Siria y Grecia el desarrollo del mismo fue como articulo decorativo. La técnica  del soplado fue trascendental para la creación de artículos como vasijas. Tras las grandes conquistas Romanas, es que se desarrolla en Europa y se incorporan más elementos como fue el uso de óxido de magnesio, haciéndolo más transparente y así fue como se fue incorporando en el uso arquitectónico, siendo el vidrio de menor calidad óptica el que se usó para este fin (www.vitro.com)

El uso más representativo que tuvo como material de construcción fue con las Catedrales Góticas, entre los siglos X y XII, incorporando más elementos a la mezcla para obtener más colores para así usarlos en los vitrales.

Ya hasta nuestros días, como un proceso totalmente industrializado, tenemos el vidrio flotado, y en  el “Glass Guide” de Saint-Gobain Glass (2001) se describe cómo se obtiene mediante el proceso de fusión, enfriamiento y solidificación de una mezcla de silicatos y otros óxidos; siendo estos mismos, los que le confieren sus características mecánicas y de color. Se le dice flotado, porque la mezcla fundida flota sobre estaño líquido, que al ser más denso no permite que la masa de vidrio se vaya al fondo y simplemente deslice sobre este, obteniendo así una cara completamente lisa. Se le conoce también como vidrio recocido porque el proceso comprende una etapa de enfriamiento rápido controlado.

Las variantes que puede presentar son en color o tinte: claro (incoloro), verde, gris, azul, bronce, ultra claro, etc.; y en espesor: 1, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 y 25mm, sin dejar de lado que se puede encontrar en diferente medidas estándar, pero es un producto que se puede cortar y transformar dependiendo las necesidades de uso, por lo que se le considera el material base en los envidriados.

La composición del Vidrio

Según la mundialmente reconocida, líder en el desarrollo y lanzamiento de normas, la American Society for Testing and Materials (ASTM) el vidrio se define como: “un producto inorgánico de fusión  que se ha enfriado a una condición rígida sin cristalizarse”. En “El manual el Vidrio” Saint-Gobain Glass México (2001) se describe la composición que le da nombre al vidrio, que comúnmente se utiliza: “Sílico-Sódico-Cálcico”, esto porque es una mezcla a base de Sílice (70-72%), Soda (14%), Cal (10%)  y otros óxidos como alúmina y magnesio (4-6%). Además se le considera como un material inerte, duro y resistente al desgaste, la corrosión y a la compresión, (resiste aproximadamente 1000 MPa). Su densidad es del orden de p=2.5g/cm3, lo que nos indica que 1m2 de vidrio de 1mm de espesor es igual  a 2.5kg.

La morfología del Vidrio

El vidrio, ha pasado por una etapa en la que se le ha favorecido, o perjudicado, dadas las bondades que se le atañen. Esto es debido al mote mercadológico “Cristal” por el que es común escuchar: “Esto es cristal, no es vidrio” haciendo referencia a su brillantes, calidad y seguramente por pensar que es un mejor producto. La realidad no es otra más que, molecularmente hablando, este es un material de estructura “no cristalina” o “solido amorfo” siendo que los de estructura “cristalina” o “solido amorfo” son minerales o metales, por ejemplo. (Ver imagen 1)

La principal diferencia entre un sólido cristalino y un sólido amorfo es su estructura. En un sólido cristalino existe una ordenación de los átomos a largo alcance, mientras que en los sólidos amorfos no se puede predecir donde se encontrará el próximo átomo. En este hecho se basan los diferentes métodos de diferenciación entre ambos tipos de sólido, que en algunos casos no es fácil de establecer a simple vista.

Fractura

Los vidrios, por el hecho de que no tienen restricciones en cuanto a la propagación de los esfuerzos internos, la manera en cómo se fracturan es especialmente particular.

Se dice que la fragilidad será la capacidad de un material a romperse sin deformarse plásticamente, el vidrio es uno de ellos. Por lo anterior según Preston (1932), estableció una serie de criterios para definir a los materiales con esas características:

  • Debe fallar a tracción pero no a cortadura
  • Tendrá un módulo de elasticidad elevado
  • Con una gran resistencia mecánica a la tracción
  • Capaz de desarrollar fracturas bifurcadas por tensiones internas

Esto quiere decir que el material se destruirá antes de fluir, por lo que materiales dúctiles quedan descartados. Que los materiales fallan con deformaciones muy bajas y si estas dos condiciones se cumplen entonces el material es más frágil que resistente.

Aunque la literatura reporta varios aspectos sobre la fractura de los materiales, en este ensayo solo trataremos uno de los mencionados específicamente, esto es “la propagación de la rotura”, propuesta por Mari (1982) misma que se puede basar en los aspectos, especialmente que aplican, para el vidrio flotado y recocido de la imagen 3.

  1. El sentido de propagación de la fractura es perpendicular al esfuerzo de tracción que la produce (a).
  2. A altas velocidades de propagación, más recta es la propagación (impacto); a bajas velocidades de propagación hay más tendencia a curvarse (choque térmico) (b).
  3. Si el esfuerzo aplicado es elevado en ausencia de tensiones e inhomogeneidades en el vidrio, la fractura se bifurca de forma simétrica. El ángulo de una bifurcación simple, en ausencia de tensiones, es de 45° (c). En el caso de envases otros por presión interna el ángulo puede ser mayor, de hasta 90° (d).
  4. Si el esfuerzo de tracción forma cierto ángulo con la superficie del vidrio se pueden producir fracturas paralelas a la superficie del virio, roturas concoidales (conchas).

El investigador de origen español Capel (2009), hace referencia a la amplia gama de soluciones en las que es usado el vidrio, por lo que es imprescindible conocer el material para adaptarlo de mejor manera. Las principales causas de fractura que presenta el vidrio plano son:

  • Choque térmico / acabado defectuoso de sus bordes
  • Impacto
  • Cálculo inadecuado de las dimensiones
  • Montaje inadecuado/limitación de la dilatación
  • Inclusiones metálicas: sulfuro de níquel (vidrios templados térmicamente)

El riesgo que representan los diferentes tipos de fractura está en cómo se ven afectados los usuarios o si existen bienes que queremos proteger y quedan al descubierto.

Clasificación

Los vidrios de seguridad, realmente se dividen en dos tipos, los de seguridad y los de protección. Dicha clasificación siempre ha generado confusión, y es que los términos en inglés logran hacer mayor diferencia, ya que el término “Safety” (que aquí traduzco como protección) se refiere a protección pasiva, por lo contrario el término “Security” (que traduzco como seguridad) se refiere a protección activa. Ahora bien, ¿qué quiere decir esto? Con ejemplos será la mejor manera para definirlos.

Entendiéndolo en otras palabras, el vidrio de protección, garantizará que tras estar someterse a agresiones de forma “activa” brindará la protección para la cual está diseñado, caso contrario del vidrio de seguridad. Estas son algunas características de ambos tipos.

Protección; debe ser irrompible o romperse de manera segura, es usado en todas las áreas donde la gente puede tener contacto con vidrio y donde una colisión accidental pudiera causar rompimiento de vidrio, protege contra accidentes como pueden ser las caídas entre niveles, y minimiza el riesgo de que fragmentos de vidrio caigan en caso de que algún objeto golpee al mismo.

Seguridad, además de las características anteriores, también están diseñados para resistir:

  • Vandalismo
  • Robo
  • Armas de fuego
  • Explosiones
  • Anti huracán

Vidrios de Seguridad y Protección

Desgraciadamente y con el más crudo ejemplo que son los accidentes, como el del baterista de ABBA, en el 2008, que tras caer contra la puerta de vidrio de su casa, en España, le provocó una herida fatal; o el caso de un niño en una escuela en Japón, que igualmente murió por un vidrio que se rompió y cayó sobre él. Seguramente son referencias lejanas, pero igualmente fueron en países llamados “desarrollados” con normativas muy estrictas en seguridad ¿qué no podrá estar sucediendo en los países “subdesarrollados” y sin normativas realmente obligatorias?

Aunque habitualmente siempre se ha utilizado el vidrio templado, este solo cubre los aspectos del tipo de seguridad; siendo el de protección aquel que cumple con todas las características antes descritas. Pero entonces… ¿cuál es el vidrio de protección? A continuación tenemos la argumentación siguiente:

Vidrio Laminado

Es un ensamble que está compuesto por dos o más hojas de vidrio flotado, ya sea recocido, semitemplado o templado. Los materiales intercalarios pueden ser Butiral de Polivinilo (PVB), Etil Vinil Acetato (EVA) o Resinas Polimerizadas (imagen 4). La principal característica es que al romperse o fracturarse, las partículas nocivas no deberán desprenderse del material plástico intercalador 1.

El mejor ejemplo de este tipo de productos los vemos prácticamente a cada momento, al menos mientras estamos despiertos, pero muchas veces no sabemos que está ahí, pero solo cuando llegamos a tener un percance es que nos damos cuenta de que existe pero posiblemente no lo tenemos en mente; es un vidrio mayormente utilizado en los autos: los parabrisas. ¿Cuántos de nosotros no hemos visto los parabrisas de algún auto cuarteado o incluso con burbujas2? A este tipo de vidrio, la NOM3, lo describe como: “de seguridad y contención que puede incorporar cualquier tipo de vidrio…”.

Tenemos entonces que el vidrio óptimo para cuestiones de seguridad es el vidrio laminado. Ya que es con este con el que se logra cubrir lo que en esencias la norma establece, o sea es inastillable por lo  que no pone en peligro a los usuarios.

Se le clasifica entonces por el tipo de contención que ofrece, desde accidentes como impactos de los usuarios sobre el vidrio (seguridad física), a posibles agresores (anti agresión) por robo (anti robo), y hasta por agresiones con proyectiles balísticos de diferentes calibres o materiales (anti bala). La norma contempla todo este tipo de características y las pruebas son con base a la integridad que mantiene la unidad.

Y por último, pero sin estar dentro de las clasificaciones anteriores, puede proteger en situaciones de huracán.

Otras prestaciones del vidrio laminado de seguridad

Por su versatilidad, los productos de vidrio laminado pueden tener mayores usos que solo protección. Algunos ejemplos se dan por la posibilidad de combinar todo tipo de vidrios, pero además que tengan otro tipo de características más enfocadas al diseño, como texturas, o color simplemente combinando los vidrios con esas características

Hablando en específico del color, otra forma de obtener colores con un vidrio laminado es con los intercalarios, principalmente utilizando el PVB, y las combinaciones son prácticamente infinitas. Otra posibilidad es poder imprimir imágenes sobre un PVB especial para obtener una especie de vitral pero en si es la factibilidad de tener cualquier diseño en el vidrio.

Ya como característica adicional está el hacer verdaderos  elementos  estructurales  con  vidrio,  como loson pisos, peldaños de escalera, costillas, columnas, y trabes los cuales podrán cargar y soportar esfuerzos tanto físicos como mecánicos (imagen 5).

Por último, aunque ya no son productos de visión como tales, lo que se ofrece es seguridad integral en caso de incendio o explosión, en estos casos los materiales intercalarios cambian por otros más especializados, que son capaces de soportar hasta dos horas en dichas situaciones.

Imagen 5 – Columna de 25cm de peralte y sección cruciforme, hecha con dos vidrios templados de 12mm
Fuente: Saint Gobain Glass México

  1. A este vidrio y dada esa particularidad se le conoce cómo: “vidrio inastillable”
  2. Considerado como un defecto; es una inclusión gaseosa presente en el estrato del plástico o en el estrato de vidrio y el plástico
  3. 3 Inciso 3.49 de la NOM – 146 – SCFI – 2001

Conclusión

Este ensayo pretende mostrar de una manera general los conceptos de seguridad y protección con el uso del vidrio. Las combinaciones son tantas con este propósito, que no pudieron ser tomadas en cuenta de manera explícita en este documento. Sin desestimar al templado como opción de seguridad, será ideal considerar como la primera elección a los laminados para obtener niveles de protección realmente eficientes.

Es importante recalcar que el uso del vidrio laminado es, en la mayoría de las veces, mucho mejor cuando se compara este con el templado (porque este tiene contención posterior al impacto). Sin duda hablar de la seguridad física de los individuos y sin dejar de lado a los bienes que pretendamos conservar, es un tema importante que se debe analizar, en el sentido de que el precio de estos sea considerado como una cuota de seguridad de vida o de los bienes e incluso como una inversión.

Con todo lo anterior se cumple con los objetivos de dar a conocer las características principales del material, desde la manera como evoluciono a través del tiempo, sus componentes y las características técnicas y mecánicas que estas le brindan.

Bibliografía Básica

    • Askeland, D. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales” 1998, Tercera Edición,

    • ASTM C162 – 05, 2010, "Standard Terminology of Glass and Glass Products" ASTM  International, West Conshohocken, PA, 2010, www.astm.org

    • Capel, F. “La fractura del vidrio”, Anales de Mecánica de la Fractura 26, Vol. 1, 2009, Instituto  de Cerámica y Vidrio. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Madrid. España

    • Mari, E., Los vidrios, Ed. Americalee, Buenos Aires, Argentina, 1982

    • Norma Oficial Mexicana 146 SCFI 2001; “Productos de Vidrio-Vidrio de seguridad usado en la construcción-especificaciones y métodos de prueba”, DOF.

    • Preston, F. W., Journal of the American Ceramic Society, 15, 177 (1932)

    • Plinio Segundo, Cayo. “Historia natural”. Obra completa. Madrid: Editorial Gredos. ISBN 978-84- 249-1684-8

    • Saint-Gobain Glass, 2006, “Glass Guide”, ed. Saint-Gobain, Inglaterra.

    • http://www.artinaid.com/2013/04/el-estado-solido-de-la-materia/ consultado en septiembre de 2013

    • http://www.casadelvidriolaminado.com, consultada en noviembre de 2013

    • http://www.saint-gobain-glass.com, consultada en agosto de 2013

    • http://www.vitro.com/vidrio_plano/espanol/Biblioteca_711.html, consultada en agosto de 2013

Fecha de publicación: 19/02/2016

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