Problemas de Capilaridad en la construcción

Problemas de Capilaridad en la construcción Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática. También encontramos soluciones soluciones de d e aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad. En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático.

Fenómeno de capil Fenómeno capilar aridad idad El proceso de soldadura está basado en el fenómeno natural de capilaridad que se explica a continuac onti nuación ión brevemente: brevemente:

Si en un recipiente que contenga líquido se introduce int roducenn dos tubos de diferente dif erente diámetro, diámet ro, se observa observa que en el de mayor diámetro el nivel del líquido es el el mis mi smo 01 que el del recipiente; sin embargo, en el t ubo de un diámetro mucho mucho menor, el líquido asciende debido a la tensión superficial. A menor diámetro, mayor altura alcanza el líquido. l íquido. Es Est o es, es, el diámetr di ámetroo est est á en 02 proporción proporción invers inver sa a la asce ascens nsión ión capil capilar ar del líquido.

03

Igualmente, si se sustituye el tubo pequeño por dos tubos encajados el uno dentro del otro con una holgura muy pequeña, se observa que el líquido sube por el espacio entre ambos tubos. Ésta es la situación que se da en la unión entre un tubo y un accesorio. Este fenómeno de capilaridad que se produce con el líquido, es el mismo que el que tiene lugar con los metales en estado de fusión; su aplicación práctica constituye la soldadura por capilaridad.

En resumen: la soldadura por capilaridad tiene lugar cuando a la unión de un tubo y un accesorio,

después de su calentamiento, se le aporta un metal que se funde al contacto con ellos. Debido al fenómeno de capilaridad, el metal fundido asciende y se extiende en cualquier sentido, por el reducido espacio que queda entra la pared del tubo y la del accesorio; con ello, al enfriarse se consigue una unión totalmente hermética.

DRENAJE SUBTERRÁNEO 

Índice de Desagüe Superficial y Drenaje Subterráneo 

Consideraciones generales.

El incremento del contenido de agua en las capas del firme implica una reducción en la capacidad de soporte y un aumento del grado de deteriorabilidad. El agua libre es el medio erosionador del material entre los pavimientos y las bases, tanto estabilizadas como granulares y al favorecer la expulsión del material por bombeo a través de juntas y grietas, puede conducir gradualmente a un agrietamiento y posterior falta del aglomerado asfáltico. Por tanto y, como conclusión puede decirse que las acciones dinámicas provocada por las cargas de tráfico producen en las capas saturadas



Decohesión brusca si no hay movimiento del agua entre los poros. Erosión con arrastre de finos cuando hay posibilidad de movimiento intersticial del agua.







Si se hiciera una correlación entre el estado estructural de la carretera y el tipo de drenaje en cada tramo, se podría cuantificar el factor de deterioro de la estructura del firme, esto es, el grado o velocidad de pérdida de resistencia y calidad de servicio respecto a una situación normal en la que no hubiera saturación en ninguna de las capas. Los efectos perjudiciales del agua en los firmes y en la infraestructura de la carretera pueden evitarse combinando la mayor impermeabilidad posible del pavimento con un adecuado sistema de drenaje subterráneo. La vulnerabilidad de los firmes está referida a las siguientes formas de contacto con agua: 

Filtración hacia abajo a través de superficies porosas, grietas, juntas,....



Filtración lateral a través de arcenes, cunetas y desmontes.



Aumento de la humedad por elevación de la capa freática.



Acumulación de agua por capilaridad a partir de las capas inferiores.



Condensación de agua en determinadas condiciones atmosféricas.



Son éstos, fenómenos en los que el gradiente hidráulico es alto, con lo que se dan ven favorecidas las filtraciones y la acumulación. Por el contrario, a causa de las dimensiones de las capas drenantes y su

pequeño espesor, los gradientes hidráulicos que actúan durante el drenaje son más bien pequeños (inferiores, por lo general, a 0,01).  

Metodología de cálculo.

La ley de Darcy se aplica para movimientos no turbulentos. Cuando se dan condiciones de semiturbulencia o turbulencia, las pérdidas de agua no son proporcionales a la carga y las cantidades que expresan el caudal o la velocidad de flujo son menores que las que se obtienen por la fórmula de Darcy. La expresión más común de la ley de Darcy es:

Q = k · i · A = Vd · A donde

Q: Caudal (m3 / sg) k: Permeabilidad del medio poroso (m / sg) i: Gradiente hidráulico A: Área de la sección de drenaje (m 2) Vd : Velocidad de descarga (m/sg) La ausencia de saturación en las capas de la carretera es equivalente a la siguiente inecuación:

( Qsalida

Qentrada) esto es,

(QE + Q L + QA + Q G + Q D ) (QS + Q C + Q T + Q H) QE

: Caudal de evaporación

Q L : Caudal de salidas laterales QA : Caudal de salida por filtración hacia abajo Q G : Caudal de salida por grietas y juntas Q D : Caudal eliminado por drenaje QS

: Caudal de entrada por filtración superficial

Q C : Caudal aportado por capilaridad QT

: Caudal transferido por las zonas laterales o

profundas

Q H : Caudal aportado por hidrogénesis

La traducción de la expresión enunciada a los casos prácticos es la siguiente:

(QA + Q D ) (QS + Q T )

Si las capas de terraplén no son muy permeables y no hay grandes filtraciones laterales:

QD

C · QS

siendo C un coeficiente de seguridad. Cumpliendo la ecuación anterior de manera que los caudales de entrada sean siempre inferiores a los de salida en un 20%, es necesaria una continuidad en la graduación de los caudales para evitar puntos de acumulación en las líneas de corriente de la filtración.

Es necesario también, limitar el tiempo que el agua permanece en el firme. El caudal de filtración que puede entrar en una sección estructural viene determinada por el menor de estos dos factores: 

Máxima aportación posible por lluvia o causa análoga. Se estima dicha aportación como la correspondiente a la máxima precipitación horaria para un período de retorno de 20 a 30 años



Máxima filtración compatible con la permeabilidad efectiva del pavimento (la del conjunto de la superficie del pavimento, con

 juntas, grietas,...). Dicha filtración corresponde al producto de la máxima precipitación horaria por un coeficiente que varía de 0,30 a 0,50 para aglomerados asfálticos. Es necesario fijar la permeabilidad requerida para la capa drenante subhorizontal (con pendiente baja) a partir de los siguientes condicionantes:

* Caudal de filtración * Sección transversal * Gradiente hidráulico El valor de la permeabilidad requerida es el parámetro a considerar para la elección del material drenante, siendo los condicionantes: *

Características mineralógicas

*

Granulometría

*

Forma

*

Grado de compactación

Las capas drenantes deben protegerse frente a la colmatación mediante el empleo de geotextiles. Las zanjas laterales se dimensionarán por medio de la Ley de Darcy, de manera análoga a la de las capas subhorizontales, siendo el gradiente hidráulico igual a la unidad. El dimensionamiento de tubos drenantes, arquetas y tubos de desagüe se realizará por aplicación de cálculos conforme a los métodos hidráulicos tradicionales. 

Dimensionamiento del drenaje subterráneo. o

Caudal de filtración.

Las posibles aportaciones al drenaje subterráneo son los sumandos para el cálculo del caudal de filtración (QS en la expresión definida anteriormente). o

Caudal a desaguar.

Se define a partir de los siguientes parámetros: * Espesor de la capa drenante: 30 cm. * Gradiente hidráulico * Permeabilidad

En este caso, el valor a determinar es la permeabilidad requerida para el desagüe del caudal de filtración obtenido en el apartado anterior. Por tanto, y conforme a los criterios establecidos en la Metodología de Cálculo:

QD

Q = kc · i · A

Se define la transmisibilidad como (QD / i). A partir del gráfico adjunto, se define, en función de este último parámetro, la permeabilidad necesaria para que sea posible el desagüe del caudal de filtración que se haya obtenido.

o

Capa drenante bajo el firme.

La permeabilidadrequerida corresponderá a capas cuya granulometría vendrá dada por el siguiente gráfico (ver gráfico) Por otra parte, las características exigibles a la granulometría del material empleado son las siguientes: Las característicasdel material granular No contendrá finos o la proporción de éstos será escasa (D2 > 2,5 mm) Cierta homogeneidad

Máxima uniformidad, esto es: D85 < 4 · D15 Si bien es necesario realizar ensayos complementarios de permeabilidad del material, una vez colocado éste en obra (por ser este parámetro función del grado de compactación, tamaño, forma y densidad de los granos), respondiendo finalmente la elección del tipo de material a la consideración de los siguientes valores:

D15 (mm)

Coeficiente de permeabilidad (cm/sg) Con árido Con árido redondeado machacado

2,5

1,1

0,9

3,7

2,4

1,7

5,0

3,5

2,8

7,5

7,0

5,2

10,0

10,5

7,7

15,0

20,0

14,0

20,0

31,5

21,0

25,0

42,0

28,0

30,0

62,5

35,0

La permeabilidad del material drenante presentará valores aceptables si se verifican las siguientes limitaciones:



Tamiz UNE

% Cernido ponderal acumulado

Tipo I

Tipo II

Tipo III

50

100

100

100

25

100 a 90

100 a 90

100 a 85

10

80 a 50

90 a 80

95 a 80

5

30 a 10

70 a 30

70 a 40

2

10 a 5

25 a 10

40 a 10

0,40

10 a 5

10 a 5

10 a 5

0,080

5a0

5a0

5a0



siendo: Material drenante

D15 (mm)

D85 (mm)

Tipo I

4,0

15,0

Tipo II

2,5

9,0

Tipo III

1,5

6,0





El tiempo necesario para drenar el 50% del agua que colmata los poros de la capa filtrante, está dado por la siguiente fórmula: t = (Ne · D2) / (2 · K · Ho)  donde

t : tiempo necesario para drenar el 50 %del agua Ne : porosidad efectiva D : ancho del firme K : permeabilidad de la capa drenante

Ho = H + S · D H : espesor de la capa drenante S : pendiente transversal

Para la comprobación de la validez de la hipótesis sobre la permeabilidad de la capa drenante (K), es necesario definir el intervalo al que deberá pertenecer dicho valor. Este intervalo se deduce a partir del siguiente gráfico, teniendo en cuenta que los valores que dicho gráfico proporciona están referidos a un tiempo de drenaje de 1 hora, a cierto espesor de la capa drenante (Hi) y a una porosidad del material drenante (n) según la Tabla de Características de los Suelos para la Clasificación de la AASHTO de 0,20, por lo que para obtener el intervalo definitivo, habrá que multiplicar los valores obtenidos del gráfico como extremos del intervalo por cierto coeficiente corrector C cuya expresión es la siguiente:

C =[Hi · 0,20 · (1,00 horas)] / [H · n · (t horas)]



Zanjas drenantes.

o

El caudal de cálculo para la zanja drenante se obtiene por medio de la expresión:

Qzanja = Qfiltración · 1,20 La permeabilidad necesaria para el material de la zanja se obtiene a partir de la Fórmula de Darcy:

Qzanja = knecesaria · i · A siendo i:

Pendiente longitudinal de la zanja en %

A : Área drenante de la zanja

 o

Tuberías drenantes.

El caudal de cálculo para el dimensionamiento del tubo drenante se obtiene como se indica:

Qtubo drenante = Qzanja · 1,20 La capacidad de desagüe para un cierto tubo perforado superiormente es la siguiente:

(V = Q / S )

Q = V · S = (Rh)2/3 / [ n · (J 1/2 ) · S]

siendo

Rh : Radio hidráulico de la sección del tubo n : Coeficiente de Manning para el material del tubo J : Pendiente mínima del tubo S : Área de la sección transversal del tubo De la comparación de ambos caudales (Qtubo drenante y Q), resulta la valoración de la capacidad del tubo considerado para desaguar el caudal filtrado a la zanja. Como comprobación, se podría deducir la capacidad de desasgüe de una tubería drenante de cierto diámetro instalada en zanja de cierta pendiente consultando el siguiente gráfico (ver gráfico).

o

Geotextiles.

Con el fin de proteger la capa drenante horizontal y las zanjas drenantes, se emplearán geotextiles cuyas características vendrán dadas por el cuadro de propiedades de los geotextiles. Las propiedades necesarias de los geotextiles según el empleo de los mismos aparecen recogidas en el cuadro adjunto:

*Fundamental Terraplenes Protección Armaduras Vías **Importante Firmes Drenes en suelos de de férreas compresibles márgenes terraplenes

***Secundario **

*

***

**

***

**

Resistencia a la tracción

**

*

***

**

***

**

Alargamiento

***

**

***

***

**

***

Resistencia al desgarramiento

**

***

**

***

**

***

Permeabilidad normal

*

*

***

*

*

***

Permeabilidad en el plano

**

***

***

**

*

***

Diámetro de filtración