domingo, 25 de noviembre de 2012

Diseño y Construcción de Estabilización de Talud en Suelo Tropical Residual

En este post se presentan aspectos relativos al diseño y ejecución de tratamiento estabilización y contención de tierras mediante la técnica soil-nailing, realizada en el talud denominado Cerro Quemado, en el Corredor Norte, en la Ciudad de Panamá.


Vista Panorámica del Cerro Quemado, Panamá

Mostramos el sistema constructivo para la contención y estabilización, que permitió controlar el proceso de remoción en masas, reperfilamiento y estabilización mediante la instalación de anclajes al terreno, inyectados con lechada de cemento para posterior colocación de armadura y proyectado de gunita.



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Vídeo de la zona de tratamiento


De la misma forma se sintetizan los aspectos básicos del diseño, incluyendo: la descripción de la técnica utilizada, resumen de los datos de partida (condiciones medioambientales, geológicas y geotécnicas), acciones sísmicas, definición del modelo de cálculo empleado, con referencia al análisis, donde se recopilan las entradas, el método de cálculo empleado, los coeficientes de seguridad y el resultado de la aplicación de dichos modelos. Por último, se define la solución adoptada y se describe el procedimiento constructivo.


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Vídeo que muestra el detalle de la Geología y Fallas


Metodología empleada


De forma simplificada el proceso de análisis se sintetiza de la siguiente forma:
  • Revisión de la información existente,
  • Determinación de los datos de partida, incluyendo la geometría y circunstancias a que debe responder el tratamiento del talud, 
  • Conocimiento de los datos necesarios para establecer las características de los geomateriales, incluyendo los parámetros geotécnicos que se emplean en el cálculo,
  • Pre-dimensionado y estimación previa de las tensiones y deformaciones, verificándose los diferentes Estados Límite,
  • Desarrollo del proceso constructivo paso a paso, con análisis de las fases, a la vez que se realizan comprobaciones de cálculo y análisis geotécnico,
  • Comprobación de la capacidad de las estructuras geotécnicas para soportar las solicitaciones impuestas por el proyecto estructural dentro de los márgenes razonables que establece la normativa en vigor,
  • Análisis de resultados, dimensionado final, determinación de las secciones resistentes, anclajes, armaduras, drenajes, etc.

Geología


La información obtenida del Mapa Geológico del Ministerio de Comercio e Industria y la Dirección General de Recursos Minerales esc 1:250,000, permite apreciar distintas formaciones geológicas próximas de la zona de estudio, en especial la facies volcánica de la formación Panamá (TP), compuesta por aglomerados y tobas, las cuales se extienden desde el área del Lago de Miraflores hacia el nordeste a través de la división continental, hasta la ciudad de Panamá, y hacia el este en el área de la costa del Pacífico.


Mapa Geológico de Panamá


Existen dos facies principales de esta formación: la volcánica y la marina. Los materiales geológicos presentes en la zona de proyecto pertenecen a la facies volcánica. A continuación se realiza una breve descripción.


Formación Panamá Facies Volcánica (TO-PA)


La facies volcánica, conocida como la formación Panamá (TO-PA), pertenece al Oligoceno inferior a superior, el cual pertenece al Tercer periodo de la Era Terciaria. Esta unidad geológica está compuesta principalmente por aglomerados, con bloques angulares a sub redondeados, mayormente andesíticos, ampliamente esparcidos en una matriz tobácica de granos finos. Esta formación incluye conglomerados depositados por corrientes. Los depósitos de corriente están compuestos de arenisca tobácea, su perfil de estratificación está compuesto por cantos rodados, guijas y guijarros redondeados a sub redondeados y sub angulares [Franceshi, 1992]. 

Fotográfia de la lámina delgada de la roca volcánica 
para análisis petrográfico

Los materiales que componen el talud de estudio, presentan diferentes grados de meteorización, como es típico en áreas de clima tropical. Las rocas sanas a cierta profundidad se convierten en rocas cada vez más meteorizadas hacia la superficie, lo que define los Suelos Tropicales Residuales.


Geomorfología


En el talud se observa una estructura caótica correspondiente a un volcanismo en fase explosiva que aparece en combinación con arrastres catastróficos causados por fuertes corrientes y riadas.

La porción superior está compuesta por brechas volcánicas hasta la cima y se estima que la cumbre corresponde a un estrato de toba brechosa fuertemente meteorizada. El suelo residual se estima en menos del metro de espesor, el cual sigue una capa de brecha volcánica un poco más fresca o menos meteorizada.



Hacia el Sureste, la porción inferior, las capas de brecha volcánica están en contacto con capas de conglomerados bien definidas y mejor estratificadas.

La base del paquete está constituida por una capa de lava andesítica y cuyo espesor es pequeño y observable sólo en algunos lugares. Todo el material que conforma el talud está medianamente a fuertemente meteorizado.



La brecha volcánica está compuesta por clastos de andesita, a veces fresca y de dimensiones hasta de medio metro de diámetro, predominando clastos centimétricos, siendo este el componente principal. La matriz tobácea es de fragmentos tamaño arena gruesa a fina de fragmentos de roca, feldespatos y cuarzo.


Detalle de la roca meteorizada y sus fracturas

Se observan nueve fracturas, agrupadas en cinco familias en la red estereográfica. A seguir se reportan los grados de inclinación del plano de fractura (buzamiento), el azimut (la dirección y sentido del buzamiento) y la longitud visible:

  • F1 085º/055º 20m
  • F2 085º/035º 30m
  • F3 088º/240º 20m
  • F4 085º/285º 09m
  • F5 070º/255º 12m
  • F6 090º/305º 50m
  • F7 085º/320º 05m
  • F8 080º/310º 40m
  • F9 063º/243º 40m

Sismo


El área de proyecto se ubica en una zona de riesgo símico intermedio, razón por la cual, se toma en consideración los coeficientes de aceleraciones sísmicas Aa y Av, que para el caso del área de Ciudad de Panamá son: Aa= 0,15, Av= 0,15



Geotecnia


A partir de los ensayos de identificación, estado, resistencia y deformabilidad, junto con el criterio generalizado de Hoek-Brown, se establecieron los parámetros para el Análisis Geotécnico.

Se hace un especial énfasis, en que la adecuada caracterización de los suelos tropicales residuales está compuesta por la determinación de los siguientes parámetros: estado de la humedad,  color, resistencia, deformabilidad, succión, fábrica, textura, densidad, mineralogía, cementación entre partículas, estructura  geológica, régimen de aguas y reacción química ante agentes ambientales (Fookes, 1997). 


Diseño


La investigación fue complementada por otros estudios, dando especial énfasis a los suelos tropicales residuales.  La información existente se utilizó para contribuir con el desarrollo de alternativas de estudio y modelado por el método de elementos finitos. La modelación matemática de los taludes se ha realizado con el objeto de analizar las condiciones de estabilidad de los taludes en las diferentes fases, inclusive después del tratamiento. Todo ello con el objeto de estudiar la seguridad y funcionalidad del diseño de los taludes tratados.  

Como conclusión principal, el estudio ha demostrado que el factor de seguridad, al deslizamiento, es superior a 1.5 para el caso del talud tratado.  El análisis geotécnico de estabilidad de taludes, mediante el método de los elementos finitos, ha permitido conseguir los siguientes objetivos:

Determinar las condiciones de estabilidad del talud. 
Investigar los mecanismos potenciales de falla (analizar cómo ocurre la falla).
Determinar la susceptibilidad de los taludes a diferentes mecanismos de activación.
Comparar la efectividad de las diferentes opciones de estabilización.
Diseñar los taludes óptimos en términos de seguridad, confiabilidad y economía.


El método de diseño empleado, con sus fases constructivas y de servicio se resume así:

Análisis de estabilidad de taludes

A partir de la información y descripción de los distintos estratos aparecidos en las perforaciones realizadas y del levantamiento geológico superficial, se han elegido para el estudio de estabilidad, varias secciones geológicas.



Perfil típico del terreno


En el cálculo realizado, utilizando el Método de Elementos Finitos, se han estudiado 4 fases. Estas fases se describen a continuación:

Fase 1: Etapa inicial del cálculo con geometría antes del deslizamiento


Fase 2: Geometría producida por la erosión y deslizamientos previos


                      Fase 3: Geometría actual con deslizamiento reciente     

Fase 4: Geometría actual con implantación del arrope en pie de talud



Ejecución



El Soil Nailing es una técnica de estabilización del terreno, basada en la introducción de anclajes (clavos). El objetivo del tratamiento consiste en crear un macizo de terreno reforzado "in-situ" que actúa como un muro de gravedad, aumenta la resistencia al cortante, de forma global, y limita sus deformaciones.

Los anclajes instalados con una ligera inclinación descendente respecto a la horizontal, se disponen en paralelo y con espaciamientos pequeños tanto en horizontal como en vertical. La estabilización proyectada se alcanza mediante el trabajo a tracción de los anclajes y su interacción con el terreno, puede desarrollar esfuerzos considerables a flexión y cortante.


Construcción de estabilización con la técnica del Soil Nailing


El objetivo principal es diseñar y dimensionar un elemento estructural que va a desempeñar distintas misiones en diferentes etapas de la estructura, que va a estar sometido a diferentes estados de solicitaciones, y que debe satisfacer diferentes exigencias técnicas. 



La misión del sistema de contención es disponer de un elemento estructural capaz de estabilizar los taludes, reducir las deformaciones del terreno colindante y garantizar la seguridad en la realización de las tareas pertinentes. El elemento proyectado consiste es un paramento de concreto proyectado armado y reforzado en las zonas más desfavorables mediante anclajes metálicos inyectados, además de tratamientos a escala local en las zonas muy meterorizadas.

El tratamiento con Soil Nailing se ejecutó en dos zonas:


 ZONA A con altura promedio de 15m, en taludes 
de 65m de alto


ZONA B con altura promedio de 11m

El paramento integrador consiste en una piel fina de gunita reforzada con dos capas de malla metálica Ф 8 mm a 150 x 150 mm. El espesor del paramento oscila aproximadamente entre 8 y 15 cm; y no resulta homogéneo, debido a la naturaleza del proceso constructivo.


Instalación de malla electrosoldada en dos capas

El paramento flexible proporciona una capa de protección contra los agentes atmosféricos. Además, permite repartir los empujes a lo largo de toda la estructura, preservando así la estabilidad del talud.

Se emplearon anclajes de barra autoperforantes. El diámetro medio de las perforaciones fue de 115 mm.  La perforación se realizó mediante la técnica de rotación o rotopercusión, dependiendo del material que se perforado. Una vez, introducido el anclaje, se inyectó con una lechada de cemento desde la parte más profunda hasta la más superficial para asegurar la continuidad de la lechada de cemento.


Instalación de anclajes para Soil Nailing

La carga admisible de los anclajes es de 180kN y distinta longitud e inclinación dependiendo si se trata de la ZONA A (nivel inferior) o ZONA B (nivel superior).


Sistema de drenaje


Se instalaron drenajes distribuidos en toda la superficie estabilizada con la técnica tubos drenantes y drenes perimetrales para favorecer la evacuación de agua que hay podido permear desde la parte alta del cerro y así, controlar el empuje sobre los taludes.

Drenes internos con tubería de PVC


Colocación de geotextil para
drenaje interior del paramento de
gunita reforzada


Conclusión


El objetivo de este trabajo consistió en investigar y analizar los aspectos geotécnicos del tratamiento de estabilización de forma global. En primer lugar se ha realizado una revisión de la información existente, para así complementar la fase del informe de viabilidad, incluyendo la búsqueda de datos limitada a la información existente de los anteriores informes e investigaciones, como los informes geotécnicos, los registros de perforación, registros geofísicos, estudios académicos, informes hidrogeológicos, fotografías aéreas, etc. 


Resultado del tratamiento del Cerro Quemado 


Finalmente, los suelos tropicales residuales poseen una estructura que en gran medida es el resultado de procesos de meteorización. La estructura frecuentemente comprende un amplio intervalo de tamaños de poros, algunos de los cuales son mayores de los que usualmente están asociados con la gradación y el tamaño de partículas del suelo. Normalmente existe cementación entre las partículas; algunas de ellas pueden ser heredadas de la roca madre, en grados de meteorización moderados, pero en un suelo tropical residual completamente desarrollado es más probable que sean debidos a los efectos de cristalización durante la meteorización, cambios químicos, a la alteración mineral y a la precipitación de material cementante. En el caso del talud Cerro Quemado, se trata de un material compuesto por varias formas de corazas, la cementación puede generar resistencia suficiente para que se forme un material de aspecto rocoso pero en la cementación es mucho más débil. Debe anotarse, sin embargo, que aún en el caso de que la cementación tan débil que una muestra pueda apenas ser manipulada, proporciona un componente de resistencia y de rigidez que tiene una fuerte influencia en el comportamiento geotécnico. Por lo que, el desarrollo de este tipo de trabajos deben establecer procedimientos de ejecución que pueden ser adaptados en base a la observación durante el transcurso de las obras.







domingo, 21 de octubre de 2012

Estudio de Factibilidad para la instalación de un sistema de captación geotérmica empleando la cimentación y estructura de contención

A petición de un arquitecto, se ha preparado este estudio de factibilidad a fin de conocer, de una forma preliminar, el potencial para la explotación de la energía geotérmica superficial renovable, en la climatización del edificio de Investigaciones en un Parque Tecnológico de Madrid. 

En nuestra propuesta está previsto el uso de los elementos de cimentación y contención de tierras (estructuras de hormigón) que están en contacto directo con el terreno y, actúan como eficientes intercambiadores de calor. Como fuente de calor en el invierno y de enfriamiento en el verano, aprovechando la temperatura natural del terreno, sin prejuicio a emplear otro tipo de captadores (verticales /horizontales), si así fuese necesario.

Las cimentaciones activas, desde el punto de vista energético, y otras estructuras geotécnicas termo-activas, incorporan tecnologías innovadoras que contribuyen a la protección del medioambiente, proporcionando importantes ahorros en los siguientes aspectos:

a. Recursos energéticos, 
b. Emisiones de CO2, 
c. Recursos económicos a mediano y largo plazo.

Desde el punto de vista de ejecución, solo es necesaria la instalación de conducciones (rellenas de fluidos adecuados para la transmisión térmica) en los elementos estructurales convencionales de cimentación y sostenimiento, como por ejemplo: 

a. Pilas, 
b. Pilotes, 
c. Muros pantalla, 
d. Muros de sótano, 
e. Losas, 
f. Túneles. 

Elementos que forman el circuito primario de un sistema energético de aprovechamiento geotérmico.

Como parte de las actividades necesarias para la elaboración de este estudio, se ha analizado, la información suministrada por el cliente respecto a las propiedades geológicas, hidrogeologías, geotécnicas y geotérmicas del solar donde se realizará la construcción de un edificio.  Todo ello, con el objeto de establecer de una forma preliminar, la capacidad de aprovechamiento geotérmico de las estructuras consideradas. 



Objetivos del Estudio


  1. Recopilar información básica disponible de carácter geológico, hidrogeológico, geotécnico y geotérmico,
  2. Valorar de modo cuantitativo el aporte energético de las estructuras subterráneas para el proyecto de climatización y agua sanitaria,
  3. Definir las actividades necesarias para realizar un proyecto para el aprovechamiento geotérmico de las estructuras de cimentación y contención del terreno del proyecto.


Datos de Partida


Emplazamiento


Emplazamiento - Fuente Google Maps


Los linderos de la parcela son:

  • Al Noroeste, con la calle Punto Com, por la que tiene acceso,
  • El resto de linderos son parcelas sin edificar. aspecto muy importante a la hora de proyectar el aprovechamiento geotérmico. Para utilizar los muros de sótano como intercambiadores.

Estructura


Según los datos facilitados por el cliente, se prevee la construcción de dos y tres plantas sobre la rasante de la calle de acceso y dos plantas de sótano, la primera ocupará toda la planta del edificio, se construirá aprovechando un desnivel de 4,0 m  respecto a la calle de acceso, y coincidirá con la rasante de aparcamiento del edificio ya construido y la segunda planta de sótano ocupará sólo la mitad sureste del edificio. El proyecto cubre una superficie de 2342m2 y un perímetro de 222m, aproximadamente.  


Geología


 La zona de estudio está situada en el sector centro-oriental de la cuenca del Tajo; es un relieve poco accidentado donde se destaca una zona central con elevaciones más suaves que dejan entre sí amplios valles, y un sector sureste donde la topografía es más abrupta con cotas que oscilan entre 926 y 600 m.

Mapa Geológico de la zona de estudio

La red fluvial principal es la correspondiente al río Henares, siendo éste la única arteria importante y permanente; el resto de la red está formada por apoyos de circulación intermitente que son tributarios del surco principal, tales como el Torote y Camarilla.

Desde el punto de vista geológico, la zona se sitúa en la cuenca meso – terciaria del Tajo, en la zona de transición de las facies continentales neógenas, del borde al centro de la cuenca del Tajo, durante el neógeno, se realiza en condiciones endorreicas, estableciéndose un sistema de aportes alimentado en los bordes por abanicos aluviales que se continúan en unas facies complejas de transición. Este relleno tiene una gran variedad litológica, correspondiente a las diferentes composiciones de las áreas fuertes y a la diferente ubicación de sistemas deposicionales que normalmente son múltiples. Sobre estos terrenos terciarios se instala la red hidrológica actual, que se encaja progresivamente en sucesivos episodio de incisión, ensanche y relleno, dando lugar a un conjunto de terrazas escalonadas y glacis.

En la zona de estudio se pueden diferenciar dos dominios:

Uno constituido por materiales neógenos formados por una alternancia irregular de arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o lutitas con arenas en tonos pardo – rojizos; se intercalan algunos niveles, de espesor decimétrico, de areniscas calcáreas y de origen palustre – edáfico; en la base son abundantes los niveles con granulometría más gruesa en los que dominan los cantos de cuarcita, las arena son, normalmente, gruesas a medias y en ocasiones muy gruesas y sub angulosas con un contenido entre un 6 – 20 % de limo – arcilla, la fracción arcillosa de los fangos está formada por ilita y caolinita.

El otro dominio está constituido por materiales cuaternarios; los materiales más resientes, pleistocenos y holocenos, están ampliamente representados en extensión superficial aunque con espesores reducidos si se comparan con las series neógenas aflorantes; la formaciones superficiales mejor representadas por depósitos aluviales son la secuencia de terrazas que se extienden por la margen izquierda del río Henares; también son importantes los depósitos de acumulación de los glacis impuestos al pie del Páramo.


Leyenda del Mapa Geológico

30. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas, nódulos de carbonatos y costras calizas. (Terrazas de los ríos Henares y Jarama).
36. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas y fangos. (Conos de deyección)
39. Gravas y cantos poligénicos, arenas y arenas limo – arcillosas. (Llanuras de inundación)


Hidrogeología


Desde el punto de vista hidrogeológico, la zona donde se encuentra el solar está compuesta a nivel superficial por aluviones y terrazas ajas, arenas, limos y gravas, permeables (Cuaternario), en profundidad se localizan arcillas, con niveles margosos y arenosos bien estratificados (Terciario – Mioceno – inf – medio). La profundidad del nivel freático se encuentra entre 3 y 6 m a partir de la superficie actual del terreno .

Mapa Hidrogeológico de la zona de estudio


Geotecnia


La zona de estudio presenta condiciones constructivas favorables, sin embargo, pueden existir problemas de tipo geomorfológico, hidrogeológico y geotécnico.

Mapa Geotécnico de la zona de estudio


En el informe geotécnico realizado para la parcela, se describen las siguientes unidades geotécnicas:

  • La superior (Capa A): son materiales de relleno antrópico formados por arenas limosas con escombro y restos de grava y gravilla. Aparece en toda la parcela excepto en el lindero con el edificio existente, coincidente con la cota topográfica más baja. Se extiende desde la superficie original del solar y su espesor oscila de 1,0 hasta 2,0 m coincidente con las zonas más elevadas (linderos noreste y sureste),
  • La intermedia (Capa B): son arenas limosas no plásticas del Cuaternario.  Aparece subyacente a la capa A, su espesor es variante entre 1,0 y 1,30m desapareciendo en la zona suroeste,
  • La inferior (Capa C): correspondiente a limos de baja y alta plasticidad del Mioceno, cuyo espesor supera los 13 m por debajo de la Capa B.

Leyenda del Mapa Geotécnico



Estimación del potencial de aprovechamiento geotérmico


La parcela se encuentra situada en un estrato areno arcilloso de permeabilidad variable, con buena capacidad portante, y deformaciones variables según el tipo de carga y tipología de cimentación. 

La elección de la tipología de la cimentación o solución geotécnica, depende habitualmente de las condiciones del terreno y de los requisitos estructurales de la edificación. En los casos en que la cimentación del proyecto contemple, por ejemplo, pilotes excavados o muros pantalla, estos elementos estructurales proporcionan los componentes necesarios para hacer un uso efectivo de la energía geotérmica. Los elementos de cimentación de hormigón armado ofrecen una superficie importante de contacto con el terreno y probablemente niveles de agua colgada. Condiciones ideales para la transferencia de calor del terreno. Sin embargo, existen otras opciones que incluyen la construcción de cimentaciones directas tales como losas pilotadas, pozos y otras estructuras de hormigón en contacto con el terreno.



Aporte Energético de las Estructuras de Cimentación y Contención


Para el predimensionamiento de las estructuras de intercambio, asumiremos volúmenes de energía extraídos del suelo, basados en las estimaciones de intercambio térmico entre el hormigón y el terreno investigados por el Prof. Alfreds Jumikis y, adaptados al suelo español mediante los ensayos de campo y medición de parámetros térmicos del terreno realizados por INGEOSOLUM, en su campo de pruebas de Madrid y Cantabria .

Siguiento la instrucción técnica elaborada por INGEOSOLUM procederemos a analizar el potencial de aprovechamiento energético.

  • Losa o Zapata con Solera Energética
    • Superficie de losa en contacto con el terreno: 2342m2,
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 48,0 kW 
  • Muro de Contención Energético
    • Perímetro del muro de contención aprovechable: 222 m,
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 19,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la geometría de los sótanos de los edificios medianeros.
  • Pilotes Energéticos
    • Cantidad : 65 unidades de 13 m
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 50,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la cantidad, geometría y distribución definitiva de los pilotes.
  • Intercambiadores Verticales (BHE)

Se emplearán intercambiadores verticales (BHE), debido a que el uso de las cimentaciones como intercambiadores de calor con el terreno, no logran proporcionar el 100% de las potencias de climatización requeridas por el proyecto, de tal manera que la energía faltante será suministrada mediante el uso de BHE. 

La cantidad de BHE necesarios, dependerá de la configuración de las cimentaciones activas, es decir entre mayor sea la potencia energética de las cimentaciones, menor será la cantidad de BHE a instalar.

 A continuación se presenta un resumen del tipo de cimentación activa, muros de contención, junto con BHEs y su potencia térmica de extracción teórica: 

  • Losa o zapata con solera (47 - 49) kW
  • Muro de Contención (18 - 20) kW
  • Pilotes (49 - 51) y BHE (62 - 64) kW
  • Total: (176 - 184) kW
El aprovechamiento de las estructuras de hormigón del proyecto, como captadores energéticos, pueden lograr suministrar como máximo 117 kW, al sistema de climatización, dependiendo de la estructura de cimentación escogida.



Costos de Operación


Dependiendo de la eficiencia térmica de la bomba y de las condiciones del terreno, tres cuartas partes de la energía requerida para la climatización proviene de calor almacenado en el suelo por radiación solar o de la absorción de calor por el terreno, tal como se presenta a continuación:

Esquema de Aprovechamiento Geotérmico con Estructuras Termo-Activas


Economía del Aprovechamiento Geotérmico


Estas condiciones de explotación hacen que la geotermia sea la técnica más eficiente para la climatización. Ya que por cada kW aportado de energía al sistema se obtiene un mínimo de 4 kW.

En la figura siguiente, a modo de referencia de escala económica, se presenta los costes de operación anuales para una vivienda unifamiliar aislada de 175m2, con un requerimiento energético de 9 kW con diferentes sistemas de climatización.

Costos de operación por año de una vivienda de 175m2, con un consumo de 9kW



Conclusiones


Este estudio demuestra que el aprovechamiento geotérmico de baja temperatura, consigue proporcionar energía limpia, renovable y muy económica al sistema de climatización del edificio proyectado. Adicionalmente esta energía se puede emplear para:

  • Suministro de ACS (agua caliente sanitaria), 
  • Climatización mediante suelo radiante y/o fancoils,
  • Free cooling,


El cálculo realizado en este Estudio de Factibilidad es teórico, no obstante es posible optimizar la potencia térmica extraída del suelo mediante la ejecución del Ensayo de Respuesta Térmica (ERT). Los valores teóricos, se pueden ver incrementados hasta en un 30%.



Las inversiones necesarias para la instalación de éste sistema geotérmico, tiene un periodo de amortización comprendido entre 4-6 años, a los precios actuales de la energía eléctrica.











sábado, 4 de febrero de 2012

Ripabilidad de Rocas

La "ripabilidad" de una roca (anglicismo que adoptamos) representa una medida del grado de dificultad de la misma para ser excavada con equipos de convencionales; mediante la rotura del terreno con un tractor o bulldozer que permite su excavación o carga directa.

Ripper montado en un Tractor Caterpillar D8-L

Un material puede ser clasificado como ripable, ripable marginalmente o no ripable, dependiendo de la capacidad de los equipos convencionales para excavarle.

La ripabilidad de un material es a menudo evaluada por un ingeniero, geólogo o geofísico mediante la utilización de equipos de geofísica (sísmica de refracción), que si se complementan con sondeos, testificación y ensayos de laboratorio proporcionan excelentes resultados.

Según Bieniawski, la ripabilidad de una roca se evalúa por numerosos parámetros incluyendo la resistencia uniaxial, grado de desgaste, abrasión, y el espaciamiento de discontinuidades. Sin embargo, la refracción sísmica ha sido históricamente el método geofísico utilizado para predeterminar indirectamente el grado de ripabilidad.

Si bien hay numerosos factores que afectan la ripabilidad, como por ejemplo la resistencia fracturación, dirección del buzamiento de la roca, etc., en términos de producción, los factores dominantes son: la resistencia a la compresión simple de la roca, el grado de meteorización, la velocidad sísmica, la resistencia y rugosidad de las juntas, su separación, y sobre todo la masa del tractor. 

Ripado con Tractor Caterpillar D11R


El ripado es generalmente realizado por un tractor (bulldozer). El tamaño del mismo se determina por la estimación del ripado de la roca. La dureza y la competencia de cada capa individual determinará la facilidad de ripado. Cuando la roca que es demasiado "dura" para ser ripada hace falta emplear explosivos.

Igualmente, es recomendable elaborar un mapa geológico de superficie, y hacer pruebas con los medios de obra, sean: excavadoras, retroexcavadoras o tractores con ripper para comprobar los resultados de los estudios. 

En numerosos proyectos, los resultados económicos de una excavación en roca dependen de la ripabilidad con medios convencionales, o si es necesario emplear perforaciones y voladuras.

Las rocas pueden ser clasificadas en tres categorías: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

  • Las rocas ígneas, formadas por el enfriamiento de las masas fundidas que se originan dentro de la tierra, son los más difíciles de ripar. Esto es en parte porque carecen de planos de debilidad como lo son la estratificación o exfoliación. 
  • Las rocas metamórficas se definen generalmente como cualquier roca derivada de rocas preexistentes por química mineralógica, y/o cambios estructurales, en respuesta a cambios marcados en la temperatura, presión, tensión de cizallamiento, y el entorno químico. Las rocas metamórficas más comunes son: gneis, cuarcita, esquisto y pizarra. Estas rocas varían en el grado de ripabilidad, dependiendo de su grado de estratificación o foliación.
  • Las rocas sedimentarias son rocas procedentes de la destrucción de rocas preexistentes. La acción del agua es responsable de la mayoría de las rocas sedimentarias, aunque algunas han sido formadas por el viento o el hielo glacial. Las rocas sedimentarias son generalmente las más ripables.

Pocos problemas o ninguno se presentan con arcillas, pizarras, o areniscas. Del mismo modo, cualquier roca altamente estratificada o laminada y rocas con fracturas extensas suelen ser fácilmente ripables.

Las características físicas que son favorables para el ripado son las siguientes:
  • Planos frecuentes de debilidad tales como fracturas, fallas, y laminaciones,
  • Rocas meteorizadas,
  • Rocas con agua y/o humedad penetrando a la formación,
  • Rocas altamente estratificadas,
  • Rocas frágiles,
  • Rocas con baja resistencia al corte,
  • Rocas con bajas velocidades sísmicas.

Las condiciones que hacen difícil el ripado son las siguientes:
  • Rocas masivas, 
  • Rocas que no presenten planos de debilidad,
  • Rocas cristalinas,
  • Rocas con estructuras capaces de absorver energía,
  • Rocas con alta resistencia al corte,
  • Rocas con altas velocidades sísmicas.

Ripabilidad (D9) vs. Velocidad de Onda Sísmica
(Caterpillar, Handbook of Ripping 8th Edition)

La figura anterior muestra la ripabilidad de diferentes tipos de roca, para diferentes velocidades sísmicas utilizando un tractor D9 de Caterpillar. Como puede verse, cuando la velocidad sísmica es mayor de 2000 m/s, el tractor D9 es insuficiente, y hace falta un tractor más grande o voladuras. Se hace notar que el manual de Caterpillar indica que un tractor D11 puede extraer algunas rocas con velocidades de casi 3000 m/s.


Sísmica de Refracción


El método de la sísmica de refracción, se puede emplear para encontrar las velocidades de una roca. El método requiere una fuente de energía sísmica, por lo general un martillo, para profundidades reducidas y explosivos para grandes profundidades. Más detalles de la técnica se puede consultar el post Refracción Sísmica integrada con Microtremor (ReMi).

Forth (1981) coordina un interesante trabajo de investigación en el que se aplica la sísmica de refracción para determinar el grado de ripabilidad de rocas meteorizadas de Hong Kong. En ese trabajo muestra que los perfiles de sísmica de refracción son un método económico para obtener información de la profundidad de meteorización y la naturaleza de la roca. Esto es particularmente cierto para los trabajos de reconocimiento en sitios remotos e inaccesibles en los que la sísmica de refracción demostrado ser una fuente rápida y barata de información.

Sin embargo, se mostró que era esencial para correlacionar los perfiles sísmicos a las condiciones geológicas reales, especialmente en las rocas volcánicas donde  se observaron profundidades considerables de material meteorizado.

En todo caso, la utilización la velocidad sísmica como único parámetro para conocer la ripabilidad  de una roca, es un enfoque simplista ya que no incluye la información geológica específica que permitiría predecir el grado de ripabilidad con precisión. Principalmente porque la velocidad es un parámetro que está ligado a la densidad, la resistencia de la roca intacta, el grado de alteración y la fracturación de la misma.



Conclusiones


Este post revela que la velocidad sísmica puede empleada como un indicador de la ripabilidad de una masa de roca. Sin embargo, es necesario que la masa de roca sea evaluada en términos geológicos por lo que es recomendable integrar los puntos de vista geológicos y geofísicos para determinar cuantitativamente el grado de ripabilidad.

El uso de clasificaciones de ingeniería para las rocas, como por el ejemplo el RMR (Bieniawski) provee al técnico de información relevante sobre la masa de roca. No obstante, hace falta recalcar que esta aproximación no involucra un examen detallado de la masa de roca donde puede ser observada o es necesario una inversión considerable en sondeos. De la misma forma, es importante destacar que el uso de valores puntuales de ingeniería como: RQD y el PLT puede proporcionar valores poco realistas del grado de ripabilidad de una masa de roca y, por ende, estos parámetros deben ser utilizados con precaución.

Por otro lado, emplear la velocidad sísmica tiene ventajas considerables cuando la masa de roca no puede ser observada directamente. Algunos autores han sugerido que se incluya en los sistemas de clasificación de las rocas ya que puede proporcionar valores aproximados de la resistencia a la compresión simple. Adicionalmente, para litologías individuales, los valores medidos en el campo  se pueden utilizar para estimar el índice de fracturación basados en la determinación de la velocidad en el laboratorio, y de forma complementaria estimar el RQD.

En un ambiente geologico desconocido, una velocidad sísmica de 2000 m/s o inferior, puede ser interpretada para indicar que la roca está compuesta por un material intacto con una resistencia a la compresión simple baja, o se trata de una roca altamente fracturada. En ambos casos, la roca no debe presentar muchos problemas para ser ripada y excavada por medios normales. 

La velocidad sísmica esta relacionada directamente con las propiedades geomecánicas de una masa de roca en dos niveles: a una escala micro, con el valor de laboratorio de un espécimen intacto y en la escala macro con el valor determinado directamente en campo en la masa de roca fracturada. Por lo tanto se puede concluir que las tablas gráficas de ripabilidad, basadas en la velocidad sísmica, deben ser utilizadas con mucho cuidado y prestar la debida atención a la información geológica disponible y los datos de ingeniería del macizo rocoso.


Referencias


  • Forth, R. A. et al. (1981), Methods of investigation of weathered rock in Hong Kong, Proceedings of the International Symposium of Weak Rock, Tokyo, 519-526
  • Wightman, W. et al. (2003), Application of Geophysical Methods to Highway Related Problems, Federal Highway Administration, 318–322.
  • MacGregor, F. et al. (1994), The estimation of rock rippability, Quarterly Journal of Engineering Geology & Hydrogeology 27 (2): 123–144.
  • McCann D. and Fenning P. (1995), Estimation of rippability and excavation conditions from seismic velocity measurements, Geological Society, London, Engineering Geology Special Publications 10: 335–343.

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