Si pensamos en la piedra natural como material de construcción, lo primero que nos viene a la mente es que es un material pesado, de una gran resistencia y durabilidad. No pensaremos en los paneles sandwich de piedra de última generación. Más bien repasaremos su uso desde la prehistoria en construcciones que todavía siguen en pie. Sin embargo, si lo estudiamos en detalle, la realidad es que piedra natural es un material cuyo comportamiento mecánico es bastante complejo de analizar. En este artículo lo explicaremos en profundidad y veremos la manera en la que podemos usar la tecnología para incrementar sus propiedades mecánicas.
Homogeneidad, isotropía y continuidad en la piedra natural
Todas las piedras tienen diferentes grados de homogeneidad, isotropía y continuidad. Cuanto mejores son esos valores su comportamiento se asemejará en mayor medida al de un material con comportamiento elástico (tensiones y deformaciones proporcionales, fácilmente calculables). En cualquier caso, existen unas conclusiones muy evidentes que podemos destacar:
- Las piedras naturales de gran resistencia tienen un elevado módulo elástico. Esto significa que soportan grandes tensiones experimentando poca deformación. Sin embargo, una vez agotado su recorrido elástico, rompen. Tienen por tanto un comportamiento frágil.
- Su diagrama de tensión-deformación puede ser muy similar tanto si se ensaya a compresión como a tracción en lo que corresponde a su forma, pero desde luego no en cuanto a cargas, ya que las piedras aguantan bastante mayor carga a compresión que a tracción.
Diagrama de tensión-deformación de roca cuasi-elástica. Fuente: https://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Elasticidad_de_rocas.pdf
Historia de la piedra aplicada a la arquitectura
El ser humano lleva los últimos cinco milenios buscando la forma de llevar a la piedra a su mejor forma de trabajo como material de construcción, atendiendo a su naturaleza mecánica y por tanto optimizando al máximo su economía.
En el artículo que publicamos sobre la historia de la arquitectura con piedra ya expusimos cómo las primeras construcciones utilizaban la piedra de manera “poco optimizada” como material. Hablamos de Stonhenge, donde los menires verticales funcionan sin problema a compresión pura, mientras que los que están puestos en horizontal, a modo de dintel, tienen muchas mayores limitaciones. Al funcionar como una viga biapoyada, que experimenta un momento máximo en el centro del vano, se está utilizando la piedra en el modo que más le cuesta trabajar, ya que tiene que hacer frente a tracciones en su parte inferior (y compresiones en la superior, pero que no le son problemáticas). Eso se traduce en que las distancias entre apoyos son muy reducidas (luces de dintel muy cortas) y que, para poder hacer frente a esa flexión, se necesita generar un dintel de piedra con bastante canto (implicando mucho peso) que aporta inercia, y por tanto, mayor rigidez geométrica.
Comentamos en dicho artículo cómo las civilizaciones de la antigüedad continuaron con la arquitectura adintelada (Grecia, Egipto…). El Imperio Romano a su vez popularizó el empleo del arco de medio punto para lograr mayores luces (haciendo trabajar a la piedra de la “mejor” manera, solo a compresión). Hablamos de cómo en la Edad Media la arquitectura gótica y su arco apuntado superó a la románica en cuanto a esta optimización se refiere. Finalmente, abordamos la arquitectura mediante el uso de arcos catenarios de Gaudí, que conseguía la máxima optimización a compresión del arco, sin generar esfuerzos laterales que tener que contrarrestar con contrafuertes, pináculos y arbotantes.
La tecnología de los paneles sandwich de piedra natural Stonesize
Nos centramos ahora en comprender cómo la tecnología del “sándwich” que comenzó a utilizarse ampliamente en el siglo XX supone un complemento perfecto para la piedra, ya que si bien ésta ya había sido optimizada al máximo como material monolítico trabajando como su naturaleza manda, a compresión, esta tecnología aporta a la piedra justamente lo que le falta:
- Ligereza
- Resistencia a tracciones
La tecnología de los paneles sandwich de piedra natural, en comparación con placas monolíticas, consigue aumentar la rigidez de manera muy potente mediante la separación de la misma masa respecto del centro de gravedad de su sección. En la siguiente imagen podemos ver cómo si partimos un mismo espesor de material y lo separamos, conseguimos incrementar muchísimo su rigidez pues estamos incrementando el momento de inercia de la sección:
Esto implica que podemos conseguir la misma rigidez objetivo reduciendo material (y por tanto peso), tan solo pasando del uso de una placa monolítica a una configuración en sándwich.
Esto no es una invención del ser humano, dado que la naturaleza utiliza este tipo de optimización de la resistencia de materiales. Un buen ejemplo lo encontramos en el propio hueso que conforma la superficie de nuestro cráneo, con estructura de sándwich. La lógica de la evolución llevó a ese resultado, para obtener una superficie de alta resistencia con el fin de proteger el cerebro, al tiempo que no fuese densa y pesada (dado que una estructura ósea muy pesada en la cabeza habría hecho subir nuestro centro de gravedad, en detrimento de nuestro equilibrio).
En la fabricación de paneles sandwich se usan habitualmente materiales de alta resistencia para sus pieles (metales como el aluminio o la fibra de vidrio con resina epoxy, como en nuestro caso).
Ante un esfuerzo de flexión (provocado por ejemplo por una carga superficial de viento en un panel), una de estas pieles de alta resistencia trabajará a tracción y otra a compresión.
No nos olvidemos de que necesitamos algo que mantenga esas pieles en su sitio, separadas la mencionada distancia. Para eso necesitamos el núcleo del panel. Buscaremos que contenga la menor cantidad de material posible y su máxima ligereza. El núcleo, ante ese esfuerzo de flexión del panel, es quién debe de absorber los esfuerzos cortantes (cuyas tensiones son de un orden bastante inferior a las de compresión o tracción en las pieles).
Panales ultraligeros de piedra natural con honeycomb
El nuestro será un núcleo de honeycomb de aluminio. El uso de esta geometría no es casual, ya que el hexágono es la mejor forma geométrica para dividir un área en celdas iguales con el menor perímetro posible. Ello implica el menor uso de material y alcanzar por tanto la máxima ligereza y economía. Igual que en el ejemplo del panel sándwich, la naturaleza en su infinita sabiduría ya había llegado obviamente a esta optimización perfecta en los panales de las abejas.
El siguiente paso es la combinación con la piedra natural. Fabricamos un panel composite en el cual una fina lámina de piedra (que, recordemos, tendría una resistencia mecánica a tracción muy limitada) queda adherida a un panel sándwich de refuerzo en su parte posterior, que aportará la rigidez necesaria para que la piedra no sufra, alcanzando el conjunto del panel unas altísimas cotas de resistencia mecánica.
Como todos los composites, las propiedades mecánicas del material compuesto no son igual a la suma de las propiedades de sus componenetes de manera individual, sino que se complementan entre ellos y generan un nuevo material con propiedades mucho más potentes.
El resultado es que conseguimos generar paneles de gran formato con aspecto de acabado piedra 100% natural (a la que se le pueden dar los tratamientos y texturizados normales), pero de manera ultraligera y con una altísima resistencia.
Cualquier arquitecto puede imaginar que, con esta propuesta de valor vinculada con el gran formato ultraligero en piedra natural, las posibilidades para llegar a nuevos diseños que eran imposibles hasta ahora son infinitas.
Además de conseguir un magnífico desempeño mecánico ultraligero con muy poco espesor, estamos hablando de que la piedra natural deja atrás su cualidad de material frágil y heterogéneo. Entre otras cosas, se convierte en un material muy tecnificado y de gran seguridad ante impactos, ya que incluso si se lleva a rotura, no sufrirá una rotura frágil, sino que la piedra quedará sujeta por el propio panel, aun habiendo sido fracturada.
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