UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería en Obras Civiles
Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales Víctor Lizama Coloma Hernán Méndez Vega Karin Yunge Riveros
Jueves 26 de Junio de 2014
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Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales
Índice Introducción ....................................................................................................................................... 2 Consideraciones de Diseño ............................................................................................................ 3 Composición del Suelo ................................................................................................................ 3 Existencia de Acuíferos, Flujos Base y/o Nivel Freático ........................................................ 4 Nivel de Aguas Lluvias ................................................................................................................ 4 Resistencia, Profundidad y Solicitaciones ................................................................................ 5 Superficies Conectadas............................................................................................................... 8 Descripción del Sistema y sus Componentes.............................................................................. 8 Sistemas Tradicionales ............................................................................................................... 8 Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren ................................................................................ 9 Sistema de drenaje superficial: .............................................................................................. 9 Sistema de retención de agua lluvia: .................................................................................... 9 Sistema de infiltración de aguas lluvia: ............................................................................... 10 Procedimiento de Ejecución ......................................................................................................... 10 Sistemas Tradicionales ............................................................................................................. 10 Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren .............................................................................. 10 Ventajas y Desventajas del Sistema ........................................................................................... 11 Sistemas Tradicionales ............................................................................................................. 11 Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren .............................................................................. 11 Ejemplos en Chile y el Mundo ...................................................................................................... 12 Chile .............................................................................................................................................. 12 Mundo........................................................................................................................................... 13 Conversión de un canal abierto contaminante a un sumidero subterráneo .................. 13 Conclusiones ................................................................................................................................... 15 Bibliografía ....................................................................................................................................... 15
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Introducción
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Consideraciones de Diseño Composición del Suelo Se debe conocer la composición del suelo sobre el cual se proyecta la obra; esto debido a que es necesario tener noción del índice de permeabilidad de los estratos ubicados bajo esta, y así poder identificar las necesidades de drenaje y sus posibles soluciones. Para suelos con alto índice de permeabilidad como gravas y gravas-arenosas, es probable que no se necesite un sistema de drenaje. A menos que sea imperante aumentar la capacidad de contención y evacuación de aguas por condiciones climáticas especiales de una zona que atenten en saturar el suelo. Para suelos con bajo índice de permeabilidad como arcillas, limos y mezclas de estos solos o con bajos porcentajes de arena, es necesario implementar sistemas de drenaje de considerable magnitud por donde evacuar aguas lluvias que pueden causar inundaciones sin necesidad de que el evento climático tenga mayor intensidad de precipitaciones. Para suelos de mediano índice de permeabilidad como arenas y mezclas de esta con bajos porcentajes de arcillas o limos, el sistema de drenaje aún es necesario pero no necesariamente de grandes envergaduras (Tabla 11)
Tabla 1: Valores de k en 𝒄𝒎/𝒔 ; donde k es el coeficiente de permeabilidad de un suelo.
1
Silvia Angelone, María Teresa Garibay y Marina Cauhapé Casaux. Permeabilidad de Suelos, Fragmento tabla I. 16. Universidad Nacional del Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Septiembre, 2006.
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Existencia de Acuíferos, Flujos Base y/o Nivel Freático La existencia de acuíferos, flujos base y/o nivel freático pueden implicar un factor a favor o en contra dependiendo de la situación. Factor a favor en los casos que el acuífero no se encuentre justo en la zona de construcción y excavación al igual que el flujo base y/o nivel freático. Ya que esto permitiría tener un punto conveniente de evacuación de las aguas interceptadas por los recolectores. Ejemplo en Figura 1
2
Figura 1 : Flujo del agua a través de diversas implementaciones de las celdas de drenaje.
Por otro lado cuando estos elementos están presentes en el área de construcción a una profundidad en que interceptarían elementos de la obra, puede ser necesaria la utilización de los sistemas de drenaje para desviar flujos base. Aunque para los otros dos elementos sólo se podría optar por la utilización de bombas que regulen su nivel.
Nivel de Aguas Lluvias Los sistemas de drenaje se proyectan de acuerdo a los máximos caudales a los que se verá enfrentado. Claramente esto conlleva un estudio de las fuentes que provocan dichos caudales.
2
Drenaje Sostenible S.L. Aplicaciones Atlantis [en línea]. Ilustración disponible en web
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Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales Si el suministro es primordialmente por aguas lluvias, entonces se modelan los caudales con los regímenes de lluvias torrenciales locales. Como el estudio de inundaciones modela máximos pluviales, es recomendado usar la distribución Gumbel, debido a su integración directa para obtener estadísticas de sucesos y períodos de retornos sin necesidad de tablas. Como regla general se utiliza una base de cálculo estadística de 5 años de período de retorno entre inundaciones o se estipula el máximo anual de una estación de control ya existente, propiamente estudiada y con variables similares como un tanque de retención local.
Resistencia, Profundidad y Solicitaciones Para el diseño de drenes es necesario conocer las solicitaciones que se presentarán sobre estos, y como consecuencia determinar la profundidad necesaria que brindará alivio de tensiones que afecten el sistema en caso de que la estructura del dren no sea capaz de resistir la solicitación. Drenes en Profundidad Por regla general para sistemas de tubería en profundidad aplica el efecto zanja o de arco; el cual se puede observar en la Figura 2, donde siempre y cuando el drenaje se encuentre en una excavación de suelo natural (que en el caso de no serlo se necesita realizar un tratamiento
especial
de
confinamiento del drenaje para generar el efecto arco), y el suelo de relleno tenga mayor capacidad de asentamiento que el suelo natural; se generará una disminución progresiva
de en
el
tensiones relleno
a Figura 2: Esquema instalación básica tubería o cubo dren en medida que este aumente su profundidad.
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Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales espesor en profundidad; y cuando el relleno tenga una altura mayor o igual a 1,5 veces el diámetro de la tubería (o base mayor en caso de ser cubo dren), las tensiones provocadas por la carga solicitante no afectarán el sistema de drenaje; y este sólo soportará el peso que aplica la masa del relleno sobre estos. Respecto a la estructuración del cubo dren muchas empresas ofrecen diferentes modelos con la incorporación de placas para rigidizar la celda de drenaje y obtener distintas resistencias. Ejemplo de ellos son Hidrobox y Atlantis. Este último controlando sus diseños ofrece 3 tipos de estructuración para sus celdas de drenaje como se puede ver en la Figura 33.
Figura 3: Configuración del cubo dren para la obtención de variadas resistencias de Atlantis.
Y sus recomendaciones de cubierta mínima en la Tabla 24 Tabla 2: Cubierta mínima para solicitaciones superficiales
Cargamento
Cubierta Mínima
Peatón
300mm de arena limpia
Tráfico Ocasional
500mm de arena limpia
Por otra parte existen empresas que controlan su diseño por profundidad de instalación según requerimientos de carga. Ejemplo de ello es Graf, que cuenta con un único tipo de módulo subterráneo.
3
Product Guide_2006 Spanish Small.pdf. Ilustración disponible en web: 4
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Figura 4: Esquema espesores mínimos para diferentes tipos de solicitaciones Graf.
Especifica 3 solicitaciones primarias (Figura 45): Tránsito peatonal: Profundidad de instalación recomendada 25 cm. Tránsito coches: Profundidad de instalación recomendada 25 cm. Tránsito camiones: Profundidad de instalación recomendada 50-80 cm. Drenes Superficiales Módulos superficiales verticales: La principal preocupación de estos módulos proviene de un tema de suspensión y anclajes; y no de resistencia, si bien se ven sometidos a cargas axiales estas se ven reducidas mediante un buen sistema de juntas, no obstante proveedores establecen resistencias que son controladas solo por material y diseño. Atlantis ofrece diversos modelos que se pueden observar en la
Tabla 36.
Tabla 3: Resistencias módulos verticales Atlantis.
Modelo
Espesor [mm]
Ancho [mm]
Largo [mm]
Resistencia [t/m^2]
10412
30
405
1200
101
10418
30
405
1800
101
10424
30
405
2400
101
11212
30
1200
1200
101
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Catalogo_EcoBloc_flex.pdf. Ilustraciones 6
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disponibles
en
web
Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales 10519
52
260
1920
148.58
Módulos superficiales horizontales: Al
ser
módulos
que se
instalarán
en
superficie, su resistencia depende del tipo de material y diseño, sin ser de relevancia la capa de relleno superior que es de espesor despreciable, y sirve solo como tema de protección para no quedar el panel expuesto directamente a la superficie (Figura 57)
Figura 5: Estructura de refuerzo Atlantis para Grava/ Césped.
Superficies Conectadas Uno de los efectos secundarios de la urbanización es la impermeabilización de los suelos debido a la pavimentación de sus superficies, impidiendo que las aguas lluvias y aguas de deshielos se puedan infiltrar a estratos más profundos permitiendo únicamente la escorrentía directa de estas; generando anegamientos si no existen sistemas de drenaje adecuados y disminuyendo los niveles de los acuíferos alimentados originalmente por estos procesos hidrológicos. Es por esto que en la actualidad es necesario implementar sistemas de drenaje que ayuden a regenerar estos ciclos por el tema ecológico que adquiere cada día más importancia; y que además no requieran mayor esfuerzo para su mantención.
Descripción del Sistema y sus Componentes Sistemas Tradicionales
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Catalogo_EcoBloc_flex.pdf. Ilustraciones
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disponibles
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Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren Sistema de drenaje superficial: Los modelos de drenaje superficial solo cuentan con un panel de drenaje (Figura 68) y una cantidad mínima de recubrimiento con arena compactada como medida de protección. Figura 6: Panel drenaje superficial Graf.
Sistema de retención de agua lluvia: Este sistema está orientado a suelos de poca o nula permeabilidad, su objetivo es controlar el agua durante lluvias torrenciales reteniendo flujos importantes de agua y direccionándolos a una tasa de flujo menor a un punto de evacuación. Este Sistema cuenta con (Figura 79): Al menos una celda de drenaje, que es el cuerpo contenedor del agua con un índice de porosidad superior al 90%. Una
membrana impermeable cuya
función es independizar el sistema del entorno, actuando como una lámina de sellado que evita que el Figura 7: Sistema de retención de aguas lluvias agua escape.
Graf.
Dos geotextiles que envuelven y protegen la geomembrana. Un ducto de entrada del flujo de agua y uno de salida o drenaje y cuenta además con una salida de aireación que evita el hermetismo del sistema.
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Catalogo_EcoBloc_flex.pdf. Ilustraciones
disponibles
en
web
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disponibles
en
web
Catalogo_EcoBloc_flex.pdf. Ilustraciones
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Sistema de infiltración de aguas lluvia: Este sistema está orientado a suelos que tienen buen coeficiente de permeabilidad, y como resguardo a un posible colapso por lluvias torrenciales se instala una cámara recolectora que aumenta la capacidad de retención de aguas, permitiendo que el suelo drene sin saturarse. Este Sistema cuenta con (Figura 810): Al menos una celda de drenaje, que es el cuerpo contenedor del agua con un índice de porosidad superior al 90%. Geotextil permeable que permite el flujo del agua filtrando finos. Un ducto de entrada del flujo de agua y una salida de aireación que evita el Figura 8: Sistema de infiltración de aguas lluvias Graf.
hermetismo del sistema.
Procedimiento de Ejecución Sistemas Tradicionales
Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren En primera instancia al igual que para los sistemas tradicionales es necesaria la excavación del suelo donde será instalado el cubo dren. Luego el fondo del agujero o zanja debe ser nivelado con arena que debe ser compactada, donde más tarde se pondrá el geotextil (permeable, impermeable o una combinación de ambos según sea el caso) que deberá envolver siempre toda la matriz de cubo dren con el fin de evitar el paso de finos al interior del sistema. Posteriormente se ubican los cubos con la orientación indicada para la necesidad que requiere a obra; previamente armados por la mano de obra que realiza un ensamblaje de paneles, y que además se pueden encajar entre ellos 10
Catalogo_EcoBloc_flex.pdf. Ilustraciones Página 10
disponibles
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Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales formando la matriz de drenaje. Y que una vez listo el ensamblaje de la matriz se instalan las entradas y salidas correspondientes de tuberías y se procede a envolver la matriz completamente con el geotextil con un traslape de mínimo 30 cm, y que en sus uniones se aplica un cinta que garantiza un sello completo. Finalmente el sistema se cubre progresivamente con capas de arena de 300 mm que son compactadas con equipo liviano de compactación.
Ventajas y Desventajas del Sistema Sistemas Tradicionales
Sistema Celdas de Drenaje o Cubo Dren *rendimiento comparativo con sist tradicionales
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Ejemplos en Chile y el Mundo Chile
Edificio Lourdes-Av. San Pablo nº 4100- Constructora Nollagan La visita a esta obra se efectuó el jueves 19 de abril del 2012 y en ella se identificó que el método de retención de aguas lluvias utilizado incorporaba el uso de celdas de drenaje, dada la mala calidad permeable del suelo. En la imagen se pueden notar las zanjas que conducirán el agua a un sistema recolector en
el
que
se
drenara
el
agua
con
bombas
en
caso
de
lluvias.
Las ventajas en esta construcción en particular eran que al contar con un espacio reducido de trabajo era óptimo minimizar las excavaciones y el otro beneficio importante era las dificultades de transporte de material dado que la grua torre estaba utilizándose en otra faena y los camiones tenían un difícil acceso al lugar por lo que era conveniente reducir el tamaño del transporte y su peso.
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Mundo Conversión de un canal abierto contaminante a un sumidero subterráneo Atlantis-Malasia
En las imágenes11 se ve una solución ecológica y expansión de áreas verdes al convertir un canal abierto contaminante de poca estética para la ciudad en sumidero subterráneo.
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Product Guide_2006 Spanish Small.pdf. Ilustración disponible en web:
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Celdas de Drenaje o Cubo Dren Análisis Comparativo con Sistemas de Drenaje Tradicionales Instalación de un sumidero de infiltración de caminos AtlantisVirginia, Estados unidos
En el caso de la imagen12 se desea aprovechar la permeabilidad del suelo, estableciendo un sumidero de infiltración al costado del camino
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Product Guide_2006 Spanish Small.pdf. Ilustración disponible en web: Página 14
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Conclusiones
Bibliografía
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