DISEÑO DE PROTOTIPO DE TECHO VERDE COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE INUNDACIÓN CASO DE ESTUDIO: CHAPINERO COLOMBIA

OSCAR CONTRERAS BEJARANO

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2016

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DISEÑO DE PROTOTIPO DE TECHO VERDE COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE INUNDACIÓN CASO DE ESTUDIO: CHAPINERO COLOMBIA

OSCAR CONTRERAS BEJARANO

Trabajo de Grado para Optar al Título de Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2016

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Nota de aceptación: ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________

_____________________________________ Ing. PAULA ANDREA VILLEGAS GONZÁLEZ Directora de Proyecto

_______________________________ Firma del presidente del Jurado

________________________________ Firma del Jurado

________________________________ Firma del Jurado

Bogotá, 2, noviembre, 2016

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Agradezco a Dios por estar a mi lado en mi carrera universitaria, por darme fuerza, y por permitirme una vida de aprendizajes y experiencias muy enriquecedoras. A mis padres, Leonor Bejarano y Ramino Contreras, quienes me formaron y apoyaron en todo momento, me permitieron tener una excelente educación pese a las dificultades, y quienes desde pequeño me inculcaron el respeto y la disciplina para lograr todo lo que quisiera en mi vida. A mi hermana, Jenny Contreras, quien desde pequeños ha estado a mi lado, ha apoyado mis decisiones, y ha representado junto con mis padres las personas que me han formado. A la profesora Paula Villegas por el tiempo, la dedicación, la confianza y el apoyo que pone en cada uno de sus estudiantes, por haber estado desde el inicio en todo el proceso de mi formación en investigación y por guiar lo que terminó convirtiéndose en mi trabajo de grado. A los profesores Mauricio González y Felipe Santamaría, por aportarme ideas y herramientas necesarias para potencializar mi trabajo de investigación, e incentivar y despertar el gusto por el trabajo que estaba desarrollando. A mi equipo de trabajo, Alejandro, Jose Luis, Laura, Katherine y Jean Pierr, quienes me apoyaron en el proceso académico, cuando tuve que estar ausente. Al laboratorista Javier Mendoza, por haberme ayudado a desarrollar mí trabajo de investigación desde el laboratorio.

Muchas Gracias a Todos. Oscar Contreras Bejarano

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TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO ......................................................................................... 6 1.

ANTECEDENTES ........................................................................................... 16

2.

OBJETIVOS.................................................................................................... 17

2.1.

OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................................... 17

2.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................... 17

3.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 18

4.

ESTADO DEL ARTE SOBRE TECHOS VERDES ......................................... 31

5.

CARACTERIZACIÓN DE LA LOCALIDAD DE CHAPINERO: COLOMBIA .... 48

5.1.

UBICACIÓN ................................................................................................................................... 48

5.2.

HIDROLOGÍA................................................................................................................................. 49

5.3.

ZONAS VERDES POR HABITANTE .................................................................................................. 50

5.4.

ESTRATIFICACIÓN SOCIO-ECONÓMICA ......................................................................................... 52

6.

CARACTERIZACIÓN EN TRABAJO DE CAMPO: ENCUESTAS .................. 53

7.

DISEÑO DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE ........................................... 58

7.1.

CAPAS DE LOS TECHOS VERDES .................................................................................................... 59

7.2.

GUÍA DE TECHOS VERDES DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ .................................................................. 60

7.3.

MARCO LEGAL DE LAS CONSTRUCCIONES VERDES EN BOGOTÁ D.C. ............................................ 69

7.4.

DISEÑO DEL PROTOTIPO ............................................................................................................... 73

8.

MODELO DE INUNDACIÓN EN EPA SWMM ................................................ 77

8.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MODELADO ................................................................................ 78 8.1.1 RECONOCIMIENTO DE LA PLATAFORMA ...................................................................78 8.1.2 DIBUJO DE LAS SUBCUENCAS (CUBIERTAS).............................................................79 8.1.3 DIBUJO DE LOS NUDOS (POZOS PLUVIALES DE INSPECCIÓN) ..............................90 8.1.4 DIBUJO DE LOS CONDUCTOS (TUBERIAS DEL ALCANTARILLADO PLUVIAL) .......93

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8.1.5 8.1.6 8.1.7

LLUVIAS EN LA ZONA ESTUDIADA ...............................................................................94 SERIE TEMPORAL ..........................................................................................................95 ASIGNACIÓN DEL PLUVIÓMETRO ................................................................................98

8.2. RESULTADOS OBTENIDOS DEL MODELO ....................................................................................... 99 8.2.1 ANÁLISIS DE LAS ZONAS INUNDADAS ........................................................................99 8.2.2 ANÁLISIS DE LA ESCORRENTÍA GENERADA POR LOS TECHOS ..........................108 8.2.3 ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD DE TRABAJO DE LAS TUBERÍAS .............................109

9.

CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE ..... 115

9.1.

PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL SUSTRATO ........................................................................ 115

9.2.

PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE............................................... 121

9.3.

PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL PROTOTIPO DE TECHO VERDE .......................................... 130

10.

CONCLUSIONES ..................................................................................... 148

11.

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 150

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa de inundación en Bogotá D.C. ...................................................... 20 Figura 2. Canales Molinos y El Virrey .................................................................... 20 Figura 3. Ubicación de la zona afectada ................................................................ 48 Figura 4. Zonas verdes en el área de estudio ........................................................ 51 Figura 5. Capas de un techo verde extensivo ........................................................ 59 Figura 6. Techo verde multicapa monolítico .......................................................... 62 Figura 7. Techo verde multicapa elevado .............................................................. 62 Figura 8. Techo verde receptáculo ........................................................................ 63 Figura 9. Techo verde monocapa .......................................................................... 64 Figura 10. Techo verde aeropónico ....................................................................... 64 Figura 11. Perfil del diseño de la estructura del prototipo ...................................... 75 Figura 12. Corte A-A del prototipo de techo verde ................................................. 76 Figura 13. Corte B-B del prototipo de techo verde ................................................. 76 Figura 14. Diseño del prototipo de techo verde ..................................................... 77 Figura 15. Reconocimiento de la plataforma SWMM ............................................. 78 Figura 16. Red de alcantarillado pluvial de la zona de estudio .............................. 79 Figura 17. Áreas aferentes de los techos según el punto de descarga ................. 80 Figura 18. Ancho de la subcuenca......................................................................... 82 Figura 19. Pendiente típica de los tejados de la zona en estudio .......................... 83 Figura 20. Visión conceptual del fenómeno de escorrentía en SWMM .................. 85 Figura 21. Plantación densa de sedum .................................................................. 87

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Figura 22. Calles y andenes modelados en SWMM .............................................. 91 Figura 23. Área de escorrentía para calles y andenes ........................................... 92 Figura 24. Cota del fondo y profundidad máxima .................................................. 92 Figura 25. Editor de secciones transversales ........................................................ 93 Figura 26. Serie temporal ...................................................................................... 96 Figura 27. Opciones de simulación “duración” ....................................................... 97 Figura 28. Opciones de simulación “intervalo” ....................................................... 97 Figura 29. Propiedades del pluviómetro ................................................................ 98 Figura 30. Zonas inundadas para un periodo de retorno de 3 años con techos convencionales................................................................................................ 99 Figura 31. Sistema de inundación de cinco pozos ............................................... 107 Figura 32. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos verdes ................................................................................................ 108 Figura 33. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos convencionales .................................................................................. 109 Figura 34. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 3 años con techos convencionales ........................................................................... 110 Figura 35. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 3 años con techos verdes ......................................................................................... 110 Figura 36. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos convencionales ........................................................................... 111 Figura 37. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos verdes ......................................................................................... 111 Figura 38. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 50 años con techos convencionales ........................................................................... 112 Figura 39. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 50 años con techos verdes ......................................................................................... 112 Figura 40. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 100 años con techos convencionales ........................................................................... 113 Figura 41. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 100 años con techos verdes ......................................................................................... 113 Figura 42. Materiales para los ensayos ............................................................... 115 Figura 43. Permeámetro con cabeza variable ..................................................... 116 Figura 44. Permeámetro de cabeza variable ....................................................... 119 Figura 45. Estructura y cajón del prototipo de techo verde .................................. 121 Figura 46. Conductores de cauldal ...................................................................... 122 Figura 47. Rociador ............................................................................................. 122 Figura 48. Intensidad de precipitación ................................................................. 123 Figura 49. Pluviometro de calibración .................................................................. 125 Figura 50. Esponja vegetal de Luffa .................................................................... 126 Figura 51. Capa del filtro - drenaje....................................................................... 126 Figura 52. Medidor del sustrato ........................................................................... 127 Figura 53. Capa de sustrato ................................................................................ 128 Figura 54. Masa de arcilla .................................................................................... 128 Figura 55. Mezcla de la tierra de jardín y la arcilla ............................................... 129 8

Figura 56. Capa vegetal ....................................................................................... 129 Figura 57. Proceso de simulación ........................................................................ 130 Figura 58. Inundación del sustrato ....................................................................... 132 Figura 59. Nivel de inundación............................................................................. 132 Figura 60. Tubidez del agua al pasar las capas del techo verde ......................... 135 LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1. Eventos de inundación del año 2011 .................................................... 25 Gráfica 2. Eventos de precipitación del año 2011 .................................................. 26 Gráfica 3. Eventos de inundación del año 2012 .................................................... 27 Gráfica 4. Precipitación en Bogotá del año 2012 ................................................... 27 Gráfica 5. Eventos de inundación del año 2013 .................................................... 28 Gráfica 6. Precipitación en Bogotá del año 2013 ................................................... 28 Gráfica 7. Eventos de inundación del año 2014 .................................................... 29 Gráfica 8. Precipitación en Bogotá del año 2014 ................................................... 30 Gráfica 9. Influencia de los diferentes tipos de vegetación en la escorrentía total . 41 Gráfica 10. Pregunta 1 ........................................................................................... 53 Gráfica 11. Pregunta 2 ........................................................................................... 54 Gráfica 12. Pregunta 3 ........................................................................................... 54 Gráfica 13. Pregunta 4 ........................................................................................... 55 Gráfica 14. Pregunta 5 ........................................................................................... 55 Gráfica 15. Pregunta 6 ........................................................................................... 56 Gráfica 16. Pregunta 7 ........................................................................................... 56 Gráfica 17. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 3 años .............................................................................................................. 100 Gráfica 18. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 5 años .............................................................................................................. 100 Gráfica 19. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 10 años .............................................................................................................. 101 Gráfica 20. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 25 años .............................................................................................................. 101 Gráfica 21. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 50 años .............................................................................................................. 102 Gráfica 22. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 100 años .............................................................................................................. 102 Gráfica 23. Inundación con techo verde para un periodo de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años ................................................................................................ 103 Gráfica 24. inundación con diferentes periodos de retorno .................................. 104 Gráfica 25. Delta de inundación ........................................................................... 106 Gráfica 26. Variación del delta en el tiempo ........................................................ 106 Gráfica 27. Descarga hidráulica en función del porcentaje de arcilla................... 120 Gráfica 28. relación intensidad vs tiempo ............................................................ 133 Gráfica 29. Inundación en el sustrato .................................................................. 134 Gráfica 30. Retención en el sustrato .................................................................... 134 9

Gráfica 31. Precipitación mensual ....................................................................... 136 Gráfica 32. Precipitación del ensayo 2 ................................................................. 138 Gráfica 33. Inundación del ensayo 2 .................................................................... 139 Gráfica 34. Retención del ensayo 2 ..................................................................... 140 Gráfica 35. Precipitación del ensayo 3 ................................................................. 142 Gráfica 36. Inundación del ensayo 3 .................................................................... 143 Gráfica 37. Retención del ensayo 3 ..................................................................... 143 Gráfica 38. Precipitación del ensayo 4 ................................................................. 146 Gráfica 39. Inundación del ensayo 4 .................................................................... 146 Gráfica 40. Retención del ensayo 4 ..................................................................... 147 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Zonas Inundadas del área en estudio ...................................................... 21 Tabla 2. Eventos de inundación en la zona afectada............................................. 24 Tabla 3. Precipitación en la zona afectada ............................................................ 24 Tabla 4. Cantidad de árboles en la localidad de Chapinero ................................... 51 Tabla 5. Datos requeridos por SWMM para una subcuenca ................................. 81 Tabla 6. Coeficiente n de Manning ........................................................................ 84 Tabla 7. Valores típicos de almacenamiento en depresión .................................... 85 Tabla 8. n de Manning ........................................................................................... 87 Tabla 9. Características del suelo .......................................................................... 88 Tabla 10. Parámetros de infiltración ...................................................................... 90 Tabla 11. Datos requeridos por SWMM para un nudo ........................................... 90 Tabla 12. Coeficientes ecuación IDF ..................................................................... 94 Tabla 13. Intensidades para diferentes periodos de retorno .................................. 95 Tabla 14. Inundación del pozo de inspección No. 73........................................... 103 Tabla 15. Deltas de inundación en techos convencionales ................................. 105 Tabla 16. Inundación con techos verdes aguas arriba......................................... 107 Tabla 17. Obtención de las proporciones de los materiales ................................ 117 Tabla 18. Coeficientes relativos de permeabilidad............................................... 117 Tabla 19. Medidas del permeámetro de cabeza variable del laboratorio de suelos de la Universidad Católica de Colombia ........................................................ 118 Tabla 20. Muestra con el 10%, 20%, 30% y 40% de arcilla ................................. 119 Tabla 21. Coeficientes de permeabilidad para diferentes porcentajes de tierra arcillosa en la mezcla .................................................................................... 120 Tabla 22. Intensidad de lluvia con un periodo de retorno de 3 años .................... 124 Tabla 23. Masa del sustrato ................................................................................. 127 Tabla 24. Ensayo inicial ....................................................................................... 131 Tabla 25. Ensayo 2 .............................................................................................. 136 Tabla 26. Ensayo 3 .............................................................................................. 140 Tabla 27. Ensayo 4 .............................................................................................. 144

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GLOSARIO

AGUA PLUVIAL: es el líquido presente en las nubes que cae a la tierra y se conoce como lluvia o precipitación. ALCANTARILLADO PLUVIAL: es un sistema de ductos unidos, para transportar aguas pluviales a un río o una zona de descarga. COLMATACIÓN: es la saturación de un elemento, el cual puede estar en su capacidad máxima. DESARROLLO SOSTENIBLE: como su propio nombre lo indica es el desarrollo de todo elemento que conforma la produccion de una sociedad, de una manera controlada, equilibrada y amigable al medio ambiente. ESCORRENTÍA: es la lamina de agua pluvial que se arrastra por una superficie, en este caso una cubierta. IMPERMEABILIDAD: es el estado en el que cualquier líquido se convierte en escorrentía al entrar en contacto con un material impermeable. INUNDACIÓN: es un problema ocasionado por la colmatación del alcantarillo de una ciudad, en dondeel nivel de la lamina de agua comienza a elevarse en las calles. Tambien se puede dar por procesos de desbordamientos de canales o rios. PERMEABILIDAD: es la propiedad en el que cualquier líquido es filtrado a través de un material permeable. REFUERZO ESTRUCTURAL: es el proceso en el que un elemento estructural es ligado a otro material, con el fin de ayudar a resistir esfuerzos ya sea a tracción o a compresión. TECHO VERDE: es una estructura que funciona como cubierta para casas y edificios, compuesta de varias capas, que aportan beneficios ambientales. TECNOLOGIAS LIMPIAS: constituyen avances tecnologicos producidos con recursos natrales que tienen un impacto mínimo en cuanto a la contaminación.

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RESUMEN El agua es un recurso vital, este debe ser usado eficientemente. El fenómeno natural de la lluvia proporciona grandes cantidades de este líquido. Los alcantarillados pluviales conducen el recurso vital a ríos cercanos en donde se vierte. Algunas zonas de la ciudad poseen alcantarillados pluviales que carecen de la capacidad de drenar el caudal proveniente de la precipitación. Dado que el caudal de lluvia se conduce a través de los ductos que componen el alcantarillado, algunos presentan saturación hasta su colmatación y posterior inundación. Las basuras en las calles potencializan el proceso de inundación. Puesto que las tuberías drenan una gran cantidad de caudal de lluvia en poco tiempo, se propone que dichas tuberías drenen la misma cantidad de caudal de lluvia en un tiempo más largo. Mediante la implementación de techos verdes, la precipitación se retiene en el sustrato de la cubierta y se filtra paulatinamente, retrasando el caudal proveniente de los techos de las edificaciones a los ductos del alcantarillado pluvial. Se utiliza la modelación para simular una situación de inundación actual, y observar la disminución de la inundación de este escenario al sustituir las características de las cubiertas actuales por techos verdes. Haciendo uso del diseño en ingeniería se construye un prototipo de techo verde a escala, El cual después de analizarlo se puede decir que se adapta a las condiciones de lluvia que se den, y la capa vegetal, conformada por plantas sedum resisten adecuadamente las variaciones climáticas de la ciudad de Bogotá.

Palabras clave: techo verde, precipitación, inundación, modelación, ambiente.

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INTRODUCCIÓN En este documento se presenta la investigación de trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil. De esta manera se espera obtener una solución integral y sostenible para el problema de inundaciones que presenta la localidad de Chapinero, más exactamente la zona localizada entre calles 94 y 106, la Universidad Militar Nueva Granada, y la avenida carrera 15, en donde este escenario se presenta con frecuencia. El panorama de las inundaciones en la ciudad de Bogotá y específicamente en la zona escogida para esta investigación, radica en que el sistema de drenaje pluvial en varias zonas se encuentra saturado por desechos, lo que impide el libre flujo de las aguas lluvias por el sistema, saturándose rápidamente. Lo anterior implica el rebose del agua pluvial y posterior inundación. Una solución apropiada para el problema de las inundaciones en Bogotá; es la incorporación de techos verdes en las cubiertas de las viviendas. Con el diseño y construcción apropiados, dichos techos pueden proporcionar confort y tranquilidad a la población. Con la instalación de las cubiertas verdes, el inconveniente de las inundaciones puede ser mitigado. Los techos verdes son una alternativa a las cubiertas convencionales, ya que su estructura abarca una capa externa vegetal, que genera beneficios ambientales, estéticos y de confort; como la reducción de la isla de calor, la purificación del aire, un posible sembradío de plantas y también concentra una temperatura ideal en épocas de invierno. Las capas inferiores que conforman el techo verde sirven a la vegetación para el crecimiento de sus raíces, el control del agua pluvial, y a la integridad del cielo raso de la edificación. Este trabajo incluye antecedentes, en donde se describe el proceso en el semillero EcoCivil para llegar al eje central de la investigación; objetivos, en los que se propone la implementación de techos verdes como solución a problemas de inundación de una zona afectada de Bogotá; el planteamiento del problema en donde se ubica el sector de la ciudad que presenta inundaciones por empozamiento de agua pluvial; se muestra un estado del arte acerca de techos verdes, para contextualizar el tema en la actualidad; se caracteriza la localidad de Chapinero mediante la descripción de su ubicación, hidrología, zonas verdes por habitante, y estratificación socio – económica; dado que la opinión de los residentes del sector es de vital importancia para el desarrollo de la investigación, se realizan encuestas con el fin de hacer partícipe a la comunidad en el proyecto; se diseña un prototipo de techo verde, en el cual se involucran las capas de la cubierta, la guía de techos verdes de la ciudad de Bogotá, un marco legal de las construcciones verdes de Bogotá, y el diseño en ingeniería del prototipo; se realiza una modelación en el software Epa Swmm para simular el comportamiento de la inundación con la implementación de cubiertas verdes; se construye el prototipo a 14

escala de techo verde diseñado, para realizar pruebas y analizar su comportamiento; y por último se describen las principales conclusiones del trabajo de investigación.

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1. ANTECEDENTES Esta investigación surge, después de un proceso de formación en el semillero de investigación EcoCivil. Inicialmente el propósito contemplaba el diseño e implementación de techos verdes en la sede del claustro de la Universidad Católica de Colombia. Sin embargo esto cambio, dado que estas instalaciones son patrimonio distrital según el Instituto Distrital de Patrimonio Cultural, el cual “gestiona y participa en la protección del patrimonio cultural del Distrito Capital, mediante la ejecución de políticas, planes y proyectos con el propósito de recuperarlo, preservarlo y darle sostén, para afianzar el sentido de pertenencia por la ciudad” (Rojas, Junco, & Zubieta, 2013), por ende, la sustitución de los techos actuales del claustro de la universidad a techos verdes, no está considerado como una obra de intervención para recuperación o preservación, por tal motivo se busca encaminar la temática de los techos verdes a solucionar problemas relacionados con inundaciones. Mediante el mapa titulado “densidad de eventos de inundación y/o encharcamientos 2010-2015” (Map Data OpenStreetMap, 2014) se entra a la búsqueda de un lugar en la capital en donde se presenten inundaciones por empozamiento de aguas lluvias. Se encuentra que la zona ubicada entre calles 94 y 106, la Universidad Militar Nueva Granada y la avenida carrera 15 en la localidad de Chapinero, muestra problemas de drenaje e inundación que probablemente se pudieran controlar con estos techos. La intención del presente trabajo es aumentar la calidad de vida de los habitantes en un sector de Bogotá vulnerable, que se ve amenazado por las constantes inundaciones ocasionadas debido al manejo inadecuado de las aguas pluviales empozadas. De esta manera se pretende realizar un estudio de la red de drenaje de aguas lluvias del territorio, y el diseño e instalación de un prototipo de techo verde sobre las casas de la zona escogida en la ciudad de Bogotá. En el marco el desarrollo sostenible de las ciudades, resultan importantes este tipo de proyectos de investigación, porque de manera novedosa se pueden dar soluciones al problema de las inundaciones en la ciudad de Bogotá.

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2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar un prototipo de techo verde que colecte agua pluvial, para contrarrestar las inundaciones provocadas por las lluvias en una zona de Bogotá que se vea expuesta a este fenómeno, y aportar una mejora ambiental para dicha área. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Identificar la zona de Bogotá más impactada a causa de inundaciones por empozamiento, donde sea ideal la aplicación de este trabajo.



Elaborar un prototipo de techo verde cuya principal característica sea colectar agua lluvia.



Compilar los datos del estudio de todos los factores de beneficio del prototipo de techo verde.



Analizar el comportamiento de las inundaciones en la zona de estudios al sustituir los techos existentes por techos verdes.

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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Colombia es un país que posee riquezas naturales, diversidad de especies, ecosistemas y geografía. El agua es un recurso vital para la subsistencia humana, sin él, la vida en el mundo se extinguiría. Colombia tiene un “total de 16 provincias hidrogeológicas, las cuales cubren el 74% de la extensión total del territorio nacional” (IDEAM, 2013). Adicionalmente, esta bañada por los océanos Atlántico y Pacífico, “cuenta con al menos 737.000 cuerpos de agua entre ríos, quebradas, caños y lagunas, posee el 49% de los páramos del planeta que aportan los servicios de abastecimiento de agua para el 70% de la población colombiana para consumo humano y desarrollo regional” (Banco de Occidente, 2012). A pesar de las ventajas del recurso hídrico, el líquido también representa un problema potencial, reflejado en los constantes desbordamientos e inundaciones que afectan al país. Las inundaciones en Colombia son consecuencias de varios factores, entre ellos el cambio climático, cuya consecuencia es la intensificación de las precipitaciones. “La Mojana, que comprende 500 mil hectáreas y abarca los departamentos de Córdoba, Sucre, Antioquia y Bolívar, fue una de las zonas más afectadas con el fenómeno de ‘La Niña’ de 2010-2011. Fenómeno que dejó daños por 11,2 billones de pesos y solo en la región Caribe por 4,8 billones de pesos” (Domingo, 2016). Otro factor que afecta las inundaciones en el país es el crecimiento demográfico y la urbanización no planificada, que “surge a partir de modelos de estado y de desarrollo que no se adaptan a las condiciones de las regiones, a visiones que trataron de ignorar las migraciones hacia las ciudades que se vienen presentando desde los años 50, y a legislaciones equivocadas sobre el control del espacio público” (Sedano, 2012), esto repercute en asentamientos o barrios ilegales conformados en zonas de riesgo. “La degradación de los suelos, la modificación de la forma de los cauces y la alteración de los ciclos vitales de los ecosistemas, derivan en inundaciones, así como la modificación del uso del suelo en zonas de alta pendiente, cambia la capacidad de infiltración de agua lluvia y favorece al aumento de escorrentía superficial” (Sedano, 2012). La deforestación es un factor que implica el aumento de la escorrentía generada en una precipitación a causa de la carencia de árboles, ésta es conducida a los ríos, aumentando su caudal hasta el punto de saturación y provocando posteriormente su desbordamiento. También se considera una causal de desbordamientos e inundaciones las fallas humanas en infraestructuras hidráulicas. “Con apenas seis meses de funcionamiento, la nueva represa de Vélez (Santander), obra en la que se invirtieron cerca de 9.000 millones de pesos, registró un sorpresivo desbordamiento que generó la evacuación de 67 familias” (Tiempo, 2015). Los diseños inapropiados, la falta de estudios o el poco mantenimiento son elementos importantes que determinan la calidad de una obra de infraestructura hidráulica. La Capital Colombiana se ve expuesta a inundaciones que traen como consecuencia pérdidas materiales a las comunidades. La ciudad de Bogotá 18

presenta dos tipos de inundaciones; la primera es ocasionada por el desbordamiento de un rio o una estructura hidráulica que transporta o acumula agua, y la segunda es generada por el empozamiento de aguas lluvias, a causa de las ineficientes condiciones del alcantarillado pluvial de una zona. En Bogotá, noticias como la que se presenta a continuación ya son consideradas como cotidianas. “El parqueadero afectado pertenece al edificio David (calle 149 # 45 -59). Ahí, bomberos de la estación Bicentenario ayudan a sus habitantes a salir y bombean el agua para evitar la acumulación de esta. Por otra parte, el banco Caja Social de la calle 137 con carrera 19 también se inundó, por lo que varios de los equipos se averiaron. El servicio en ese establecimiento está afectado.” (Redacción Bogotá, 2016). “Santa Bárbara (de la carrera 14 a la 17 entre calles 119 a la 122), la Autopista Norte (de la calle 98 a la 100 en sentido sur-norte) y la carrera 30 entre calles 45 a la 48 fueron las zonas con mayor caos vehicular por las fuertes lluvias. En el barrio Rincón de Suba, el rebosamiento de aguas negras de aproximadamente 15 centímetros, dejó dos viviendas inundadas. Los predios ubicados en la carrera 93 B N.° 129 C - 29 tuvieron que ser evacuados.” (Redacción Bogotá, 2013) Los principales problemas asociados a estas inundaciones son las pérdidas materiales, el peligro de accidentes relacionados con lesiones en las calles inundadas, y la congestión del tránsito que conlleva a problemas de orden social. Los techos verdes se consideran como una solución a problemas de inundación por empozamiento de agua pluvial. A continuación se presenta la zona de la ciudad de Bogotá afectada por inundaciones y encharcamientos que se escoge para el desarrollo de la investigación. La Figura 1. Mapa de inundación en Bogotá D.C., muestra las zonas de la ciudad que presentan inundaciones. El color morado oscuro indica la concentración de eventos de inundación, y los colores claros representan la dispersión de dichos eventos. Las inundaciones que se presentan en la periferia de la ciudad son provocadas por el desbordamiento de canales o del rio Bogotá. Se busca encontrar un área afectada cuyas inundaciones sean consecuencia de la colmatación del alcantarillado pluvial del lugar. La zona ubicada entre calles 94 y 106, la Universidad Militar Nueva Granada y la avenida carrera 15 en la localidad de Chapinero, presenta una concentración de inundación y encharcamientos, ocasionados por la saturación de la red de drenaje de los barrios que lo conforman. A continuación se describe el problema presente en este sector de la ciudad de Bogotá.

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Figura 1. Mapa de inundación en Bogotá D.C.

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 2. Canales Molinos y El Virrey

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 20

Se escoge el área de color morado oscuro, dados los problemas de inundación y encharcamientos que posee. En la Tabla 1. Zonas Inundadas del área en estudio, se condensa la información de cada uno de los eventos de inundación que ocurrieron a partir del año 2010 hasta el año 2015. Los cuales representan los lugares afectados se analizaron en la presente investigación. Tabla 1. Zonas Inundadas del área en estudio Tipo

Localidad

upz

Barrio

Dirección

Fecha

Inundación

Usaquén Usaquén

encharcamiento

Usaquén

Encharcamiento

Usaquén

Inundación

Usaquén

Inundación

Usaquén

Encharcamiento

Usaquén

Inundación

Usaquén

Encharcamiento

Usaquén

Usaquén

Inundación

Usaquén

Usaquén

Inundación

Usaquén

Usaquén

Encharcamiento

Usaquén

Usaquén

Inundación

Usaquén

Usaquén

Inundación

Usaquén

Encharcamiento

Usaquén

Inundación

Chapinero

Chico Lago Santa Bárbara Chico Lago Usaquén

Rincón del Chico Santa Bibiana Santa Bibiana Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Rincón del Chico Escuela de Infantería Escuela de Infantería Chico Norte II Rincón del Chico Chico Norte II Chico Norte II

Cl 102-14 85 Ak 15-100 43 Cl 100-15 02 KR 15-100 02 Cl 100-16 30 Cl 100-14 60 Cl 101-14 45 Cl 101-14 36 Cl 100-13 20 Cl 100-13 02 KR 12-101 53 KR 12-101 02 Cl 100-11 02 Cl 11-100 02 Cl 100-14 83 Cl 100-13 55 Cl 100-13 41

24/09/11

Inundación

Santa Bárbara Santa Bárbara Santa Bárbara Santa Bárbara Santa Bárbara Santa Bárbara Santa Bárbara Usaquén

Encharcamiento Chapinero

21

22/08/11 15/12/11 15/12/11 22/10/12 12/03/14 15/12/11 12/03/14 20/04/11 26/04/13 20/11/14 06/11/11 26/04/13 12/03/14 05/12/11 12/03/14 01/05/11

Tipo

Localidad

upz

Barrio

Dirección

Fecha

Inundación

Chapinero Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II

KR 11A-98 93 Cl 99-11 26 KR 11-99 21 Cl 99-11 02 KR 11-99 02 KR 13-98 38 KR 13-98 02 KR 12-98 38 Cl 98-10 56 KR 11-98 02 Cl 98-11 02 KR 11A-98 02 KR 11A-98 15 Cl 97A-10 58 Cl 97A-10 67 Cl 97A-11 02 KR 11B-97 43 KR 12-97 81 KR 13-97 75 KR 13A-97 35 KR 14-97 21

26/04/13

Inundación

Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago El Refugio Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago

Encharcamiento Chapinero Encharcamiento Chapinero Encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Encharcamiento Chapinero Encharcamiento Chapinero Encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

Encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

22

26/04/13 11/03/14 26/04/13 04/11/14 15/12/11 15/12/11 15/12/11 12/03/14 26/04/13 10/10/11 30/04/13 30/04/13 12/03/14 19/11/14 10/11/11 03/06/11 15/12/11 12/03/14 05/12/11 12/03/14

Tipo

Localidad

upz

Barrio

Dirección

Fecha

Inundación

Chapinero Chapinero

Chico Norte III Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte

KR 15-96 67 KR 11-97 02 KR 13A-96 23 KR 11A-96 2 KR 11A-95 44 Cl 95-13 35 Cl 95-13 52 KR 14-95 21 Cl 94A-13 42

05/10/12

Inundación

Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago Chico Lago

Encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

encharcamiento Chapinero Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Inundación

Chapinero

Chico Norte II Chico Norte II Chico Norte

12/03/14 15/12/11 21/11/14 04/11/14 14/06/13 10/10/14 18/08/14 13/09/13

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Los canales Molinos, Rio Negro y El virrey están situados alrededor de la zona de estudio como se observa en la Figura 2. Canales Molinos y El Virrey. Según la topografía de las localidades de Usaquén y Chapinero, los canales Rio Negro y El Virrey tienen un área de inundación con dirección opuesta a la zona de estudio, por otro lado según un estudio realizado por la Universidad Católica de Colombia, se encuentra que el “canal Rionegro tiene una óptima condición de diseño para varios caudales y periodos de retorno”. (Tibanta & Vargas, 2014) Teniendo en cuenta que la inundación en caso de darse, tendría una dirección aguas abajo de la confluencia entre los canales El Virrey y La Castellana, estos no se consideran como causales de inundaciones en el área escogida. En cuanto al canal Molinos, este se sitúa en un área potencialmente riesgosa de inundación, dado que no se encuentran informes, ni documentos referentes al mal comportamiento hidráulico del canal, se descarta la idea de que la zona de estudio presente inundaciones debidas al desbordamiento de dicho canal. Con el fin de hallar la relación de los eventos de inundación reportados con los niveles de precipitación, se comparan las gráficas obtenidas a partir de la agrupación de los datos por años y meses, como se muestra en la Tabla 2. Eventos de inundación en la zona afectada, y en la Tabla 3. Precipitación en la zona afectada.

23

Tabla 2. Eventos de inundación en la zona afectada eventos de inundación 2011 2012 2013 enero 0 0 0 febrero 0 0 0 marzo 0 0 0 abril 1 0 8 mayo 1 0 0 junio 1 0 1 julio 0 0 0 agosto 1 0 0 septiembre 1 0 1 octubre 1 2 0 noviembre 2 0 0 diciembre 10 0 0 sumatoria 18 2 10

2014 0 0 10 0 0 0 0 1 0 1 5 0 17

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Map Data OpenStreetMap, 2014) Tabla 3. Precipitación en la zona afectada

enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre sumatoria

precipitación (mm) 2011 2012 44,2 49,5 58,2 35,8 84,8 79,6 169,8 144,4 122,1 33,5 47,9 29,9 38,6 45,1 31,9 40 36,4 20,7 111 103,5 144,9 52,1 96,9 54,1 986,7 688,2

24

2013 8,4 96,8 57 119 100,9 24,2 37,1 46,4 29,1 72,7 129,2 71,7 792,5

2014 49,4 94 95,7 61,8 77 44,4 30,1 19,2 36,3 48,5 117,5 131,9 805,8

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) La Tabla 2. Eventos de inundación en la zona afectada, indica la cantidad de eventos de inundación que ocurrieron entre los años 2011-2014, extraídos del mapa de densidad de eventos de inundaciones y/o encharcamientos del IDIGER (Map Data OpenStreetMap, 2014). La Tabla 3. Precipitación en la zona afectada. Indica la precipitación promedio dada en el mes y año correspondiente. (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) Con el objetivo de observar la relación entre la precipitación y los eventos de inundación en el área afectada se construyen graficas que permitan la visualización de dichas variables. Gráfica 1. Eventos de inundación del año 2011

Eventos de Inundación No. de inundaciones

12 10 8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

meses del año 2011

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Map Data OpenStreetMap, 2014)

25

12

14

Gráfica 2. Eventos de precipitación del año 2011

Precipitación 180

Precipitación (mm)

160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

14

meses del año 2011

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) Aunque Bogotá puede presentar estados climatológicos distintos en dos puntos diferentes de la ciudad, se puede observar que los eventos de inundación en el año 2011 son reiterativos entre los meses de noviembre y diciembre, el resto del año tiene un comportamiento continuo, puesto que se presenta la misma cantidad de inundaciones. En cuanto a la precipitación de la ciudad, el mes en el que se alcanza una mayor intensidad de lluvia es abril, en donde se presentan eventos de inundación, a partir de este mes se atenúa paulatinamente la intensidad de la precipitación. En el mes de septiembre y octubre las dos graficas tienden a crecer, por lo que se deduce que, el alza en la cantidad de inundaciones en el área afectada está relacionada con el incremento de la precipitación de Bogotá al final del año 2011. Por otro lado se esperaba que al ser abril el mes en el que más llovió, se presentara un gran número de eventos de inundación, sin embargo solo se presentó una notificación de inundación. Independientemente del promedio mensual, una inundación se presenta en relación al tiempo de duración y la intensidad de la precipitación, esta puede ser la razón por la que en el año 2011 se presentaron más eventos de inundación que en el año 2012.

26

Gráfica 3. Eventos de inundación del año 2012

Eventos de Inundación No. de inundaciones

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

2

4

6

8

10

12

14

meses del año 2012

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 3. Eventos de inundación del año 2012, indica que los meses en los que se presentaron mayores cantidades de precipitaciones fueron abril y octubre, aunque no se presentaron eventos de inundación en el mes de abril, ocurrieron dos inundaciones en el mes de octubre. Gráfica 4. Precipitación en Bogotá del año 2012

Precipitación 160

Precipitación (mm)

140 120 100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

meses del año 2012

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009)

27

12

14

Gráfica 5. Eventos de inundación del año 2013

Eventos de Inundación 9

No. de Inundaciones

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

2

4

6

8

10

12

14

meses del año 2013

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Map Data OpenStreetMap, 2014) De igual manera que en el año 2012, el año 2013 presenta picos máximos de precipitación en los meses de abril y noviembre, aunque no se ve representado la cantidad de inundaciones al final del año, se tiene un incremento de eventos de inundación en el mes abril, justo cuando se presenta un aumento considerable en el promedio de lluvia de la ciudad de Bogotá. Gráfica 6. Precipitación en Bogotá del año 2013

Precipitación 140

Precipitación (mm)

120 100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

meses del año 2013

28

10

12

14

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) Sin duda alguna las gráficas del año 2014 son las que mejor se relacionan, ya que presentan el mismo comportamiento. Se tienen alzas tanto en la precipitación como en la cantidad de eventos de inundación al inicio y al final del año, y un déficit en las mismas variables a mitad del año. La precipitación de la ciudad en el año 2014 presento un pico máximo en los meses de febrero a marzo y de noviembre a diciembre. Cabe agregar que entre los meses de abril a mayo hubo un alza en la intensidad de lluvia de Bogotá, al comparar estos datos con los eventos de inundación del área de estudio, se observa que en los meses que se presenta la mayor precipitación, también se muestran inundaciones, dado que estos eventos ocurren en el mes de marzo y a partir de octubre. Gráfica 7. Eventos de inundación del año 2014

Eventos de Inundación

No. de Inundaciones

12 10 8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

meses del año 2014

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Map Data OpenStreetMap, 2014)

29

12

14

Gráfica 8. Precipitación en Bogotá del año 2014

Precipitación 140

Precipitación (mm)

120 100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

14

meses del año 2014

Fuente: Oscar Contreras Bejarano (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) Por lo anterior el problema radica en las inundaciones generadas por la saturación del alcantarillado pluvial cuando se presentan precipitaciones fuertes. En el presente trabajo se plantean los techos verdes como solución principal a este problema, el cual provoca problemas de tránsito, pérdidas materiales, y riesgos a la salud de la población capitalina.

30

4. ESTADO DEL ARTE SOBRE TECHOS VERDES A continuación, se estudian diferentes artículos acerca de techos verdes. Los análisis presentados se refieren a los beneficios que traería para la ciudad de Bogotá la instalación de este tipo de tecnologías sobre las viviendas de zonas afectadas por inundaciones y específicamente en el norte de la localidad de Chapinero en Colombia. Los principales propósitos son la mitigación de las inundaciones provocadas por las aguas lluvias y contar con un referente para otros lugares del mundo que puedan estar viviendo situaciones semejantes. Los techos verdes representan una solución sostenible al problema de las inundaciones por empozamiento de aguas lluvias. La idea que se plantea, consiste en retener las aguas lluvias en el sustrato de la cubierta verde con el fin de atenuar el caudal entrante al alcantarillado pluvial, de este modo los ductos que drenan la precipitación no entran en un estado de saturación. Un aspecto importante que se debe tener en cuenta para la instalación de una cubierta verde es el económico, ya que un techo verde muy costoso no se recibe con agrado de parte de los propietarios de las viviendas, así mismo el rendimiento que este pueda traer a los habitantes de la zona afectada. Es por eso, que se inicia discutiendo el primer artículo titulado “costo y efectividad del techo verde”, en donde se presenta una idea del presupuesto que se debe tener para llevar a cabo un proyecto de techos verdes, aparte de la ayuda que le traería a una localidad contar con este tipo de cubiertas. El presente artículo fue elaborado en el año 2010 por Michael Blackhurst, Chris Hendrickson y Scott Matthews, y resume de manera explícita los beneficios que trae la construcción de los techos verdes en un edificio unifamiliar, multifamiliar y comercial. Evidentemente un techo verde tiene un costo mayor que un techo tradicional, aunque hay que tener presente los beneficios que trae cada uno de ellos. Una cubierta verde posee propiedades ambientales importantes que no posee una cubierta tradicional, esto se refleja en un amplio período de tiempo, lo que repercutiría en un ahorro económico a largo plazo con la implementación de un techo verde. En cuanto al uso de la tierra y la hidrología, el techo verde “reduce el agua de escorrentía en un 50% anual, mientras que el tradicional solo la desvía”. (Blackhurst, Hendrickson, & Matthews, 2010) El articulo plantea el costo de la sustitución de techos convencionales a techos verdes, teniendo en cuenta la tipología de las viviendas, de lo cual que obtiene que “el costo total de reemplazar tres tipos de cubiertas tradicionales a techos verdes es de 17.000 dólares para 1.900 pies cuadrados. Para 1.600 pies 31

cuadrados de viviendas unifamiliares se obtuvo un costo de 13000 dólares, Para 100 pies cuadrados de viviendas multifamiliares se obtuvo un costo de 1400 dólares y 200 pies cuadrados de estructuras comerciales se obtuvo un costo de 3600 dólares” (Blackhurst, Hendrickson, & Matthews, 2010). Lo mencionado en el párrafo anterior se obtiene de un estudio realizado en un barrio urbano, en donde se analiza la sustitución de aproximadamente “6.5” millones de pies cuadrados de techo tradicional, por techos verdes. Para la investigación en curso, los costos de implementación de techos verdes, sobre una zona vulnerable a inundaciones por empozamiento de agua, en la ciudad de Bogotá, se deben cotizar con las empresas que posean los materiales para llevar a cabo la construcción e instalación de las cubiertas verdes. El presente artículo da una pauta, de lo que sería la retribución económica, y el beneficio que un techo verde puede proporcionar en una construcción como las viviendas y edificios del lugar en estudio; sin embargo, los precios de los materiales varían en todo el mundo, por esta razón se debe hacer un estudio presupuestal de la construcción y sustitución de los techos verdes con la moneda local. A parte de los costos monetarios, se puede mencionar el reconocimiento que pueden traer los techos verdes, por ejemplo, una certificación LEED, la cual acredita a una construcción por ser, como en el caso de la cubierta verde, ambientalmente sostenible. El artículo titulado el verde empieza por el tejado, explica el concepto de la certificación LEED, y los criterios requeridos para obtener dicha certificación. Fue elaborado en Denver, Colorado, en el año 2007, por Robert Kravitz. El documento denota la participación del certificado LEED (Leadership in Energy & Environmental Design), en la instalación de techos verdes sobre edificios, evaluando diferentes ítems, los cuales se deben cumplir para ganar puntos en este proceso. Se realizó una encuesta a lo largo de los Estados Unidos con el fin de averiguar que tanto sabían los ciudadanos acerca de los techos verdes, “los resultados arrojaron que los encuestados no están seguros si los techos verdes ayudaban o no, a la protección ambiental”. (Kravitz, 2007) No es sorpresa los resultados que arrojaron las encuestas a las personas estadounidenses. La instalación de un sistema de techo verde es novedosa. En este tema se está implementando y continuamente investigando. La certificación LEED “es un sistema de certificación de edificios sostenibles, desarrollado por el Consejo de la Construcción Verde de los Estados Unidos” (Kravitz, 2007), que tiene por objetivo, el desarrollo y aplicación de nuevas técnicas, que permitan una mejora en el impacto ambiental de la industria de la construcción. Excelente estrategia para aumentar la conciencia ambiental de las personas, y se pensaría 32

necesario optar por una estrategia similar en Colombia, para contrarrestar el daño al medio ambiente provocado por la industria de la construcción. Los certificados LEED se basan en varios criterios para ser otorgados, estos ítems son: “Reducción de perturbación en el sitio, que consiste en la recuperación de los espacios abiertos perdidos para construcciones de habitabilidad y promoción de la biodiversidad”. (Kravitz, 2007) “Mantenimiento de las aguas pluviales, en donde se evalúa la gestión de los techos verdes en el control de las aguas lluvias”. (Kravitz, 2007) “Efecto de la isla de calor, en el cual el concreto absorbe y retiene una cantidad muy grande de calor, al instalar techos verdes se puede mitigar este efecto, ya que los mismos pueden crear una zona más fresca en donde no permita filtrar el calor al interior de la edificación”. (Kravitz, 2007) “Reutilización del edificio, lo que se quiere evaluar en este aspecto, es cómo después de haber terminado un edificio sin ningún tipo de estrategia ambiental, se adquiere por ejemplo, un techo verde, o cualquier otra innovación para el desarrollo ambiental”. (Kravitz, 2007) “Espacios abiertos utilizables, en donde se observa que zonas pueden ser potencialmente utilizables para realizar una instalación verde”. (Kravitz, 2007) Pasando a los beneficios ambientales específicos, las bases del estudio son: “el aire, que remueve 0.2 kg de partículas aerotransportadas anualmente; el agua, que elimina el cadmio, cobre y absorbe agua pluvial de escorrentía, y la conservación de los recursos, que trata de la parte agrícola, y cómo en estos techos se logra sembrar una gran variedad de productos para el consumo humano”. (Kravitz, 2007) Las características anteriormente nombradas sin duda alguna, son elementos importantes en el sistema innovador de los techos verdes, que en un futuro podrán purificar en su mayor parte lo que anteriormente se contaminó sin una conciencia ambiental. Tanto la certificación LEED, como los beneficios específicos ambientales anteriormente nombrados, son evidentemente conceptos clave para entender las ventajas que traen la instalación de techos verdes en edificios. Para el caso de la investigación en curso, este artículo proporciona datos generales de lo que implica tener un techo verde; por otro lado, no genera información relevante para el desarrollo del trabajo investigativo en donde se pretende dar pautas para el diseño estructural del techo verde.

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Es importante considerar lo que se debe tener en cuenta antes de la construcción de un techo verde, es por ello, que se presenta el artículo titulado ¿Es su edificio propicio para la instalación de un techo verde? elaborado por Richard Heller y Chris Psencik en febrero de 2014, en donde se postulan cuatro consideraciones acerca de lo que se debe tener en cuenta para la instalación de un techo verde. “De acuerdo con la GRHC (Techo Verdes para Ciudades Saludables), en Estado Unidos creció un 24% la industria de azoteas verdes, gracias a los beneficios que trae su instalación, y todavía hay un enorme potencial para el crecimiento de nuevas cubiertas verdes en norte américa.” (Heller & Psencik, 2014) Con base a todos los beneficios que trae la instalación de techos verdes, en Bogotá se deben construir y adaptar estos sistemas de azoteas, debido al daño ambiental que se ha proporcionado desde la construcción y expansión de la ciudad. Para hacer un detenido análisis acerca de la adecuación un techo verde, se deben hacer las siguientes consideraciones: La “capacidad de carga que el edificio puede soportar tranquilamente y sin sufrir alteraciones” (Heller & Psencik, 2014), el techo verde debe ser capaz de resistir, aparte de la carga misma del techo, las cargas por lluvia, que se analizan dependiendo de la ubicación geográfica donde se encuentre la azotea. La “intención del diseño del techo verde juega un papel importante en el ¿por qué se quiere instalar un techo verde?” (Heller & Psencik, 2014); para el caso de esta investigación, la población ubicada en las zonas de afectación ambiental en la ciudad de Bogotá, pierden enceres por las lluvias, y viven atemorizadas por la próxima precipitación, al instalar techos verdes en el sitio, se podrán contrarrestar los niveles de inundación, y los habitantes vivirían cómodamente y sin preocupaciones en cuanto a inundaciones se refiere. La “ubicación y clima de la azotea verde es un ítem que se debe estudiar detenidamente” (Heller & Psencik, 2014), debido a los cambios de temperatura y clima repentinos en la ciudad de Bogotá, por tal motivo se deben implementar plantas que puedan soportar dichos contrastes de tiempo. Y por último se debe “considerar el riego y el drenaje que se va a proporcionar a la cubierta, al ser un techo verde extensivo su riego es muy necesario” (Heller & Psencik, 2014), y se deben estudiar los sistemas de drenaje actuales para verificar que cumplan con las características necesarias para atender las necesidades de drenaje de un techo verde. Según la EHRF (Fundación de Investigación de Salud Ambiental) entre los beneficios de tener espacios verdes se encuentran: control de la erosión y prevención de la escorrentía, purificación del agua y del aire, generación de oxígeno, control de la temperatura, reducción del ruido, y un gran valor estético.

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Los aspectos mencionados pueden ser mejorados mediante la implementación de techos verdes en las edificaciones de la zona de impacto. Este artículo contiene información que apoya la investigación en cuestión, acerca de la factibilidad que la instalación de un techo verde sobre una parte de la ciudad Bogotá, para evitar una inundación por aguas pluviales. El proyecto de investigación que se está llevando, se enfoca entre otras cosas en el drenaje del agua pluvial que recolecta el techo verde, por lo que el artículo Resientes y futuros avances en el diseño y rendimiento del drenaje del techo resalta el estudio de dos sistemas de drenajes de agua pluvial para techos, el convencional y el sifónico. En estos dos tipos de sistemas interactúa la superficie del techo, los canales de recogida de agua pluvial y las tuberías del sistema, dichos elementos se describen a continuación, y también un estudio de predicción de la presión ejercida por el agua lluvia sobre una canaleta. El presente artículo se elaboró en la universidad Heriot-watt en Edinburh, Reino Unido, por S. Arthur y GB. Wright, en el año 2005. Los sistemas convencionales operan a presión atmosférica, y sus bajantes requieren un gran diámetro, mientras que el sistema sinfónico, tiene canalones, funcionan a presión sub-atmosférica, y requieren menor cantidad de bajantes. “Los sistemas convencionales en este artículo no se profundizan debido a la basta información que se tiene de ellos actualmente, por el contrario se va a enfatizar en el sistema de drenaje sifónico.” (Arthur & Wright, 2005) En cuanto a las superficies del techo, pueden ser planas, inclinadas o verdes. “Los techos planos tienden a asociarse con sitios de poca precipitación, generalmente para fines domésticos, y son considerados planos cuando su pendiente es menos a la estipulada en la norma de construcción del sitio. Los techos inclinados poseen una buena capacidad para drenar naturalmente el agua pluvial, puesto que la velocidad de la escorrentía está en función de la pendiente y la aspereza del material de la cubierta.” (Arthur & Wright, 2005) Los techos verdes a su vez se pueden dividir en dos grandes grupos, “techos verdes intensivos y techos verdes extensivos. Los intensivos tienen a una capa vegetal densa, con plantaciones de arbustos, grandes matas e incluso árboles, y los extensivos, se componen de una alfombra de peso ligero con crecimiento medio de flora” (Arthur & Wright, 2005). Estos techos conservan una excelente estética, traen beneficios hidráulicos, son aislantes termo-acústicos, reducen los efectos de la isla de calor, y extienden la vida útil de la membrana del techo. excel Los aspectos citados en cuanto al techo verde, se asocian a lo que se quiere lograr, al implementar techos verdes en la zona de afectación, específicamente con los techos verdes extensivos. 35

Pasando a las características de los canales, estos se deben instalar con un porcentaje pequeño de pendiente para que pueda circular libremente el agua, evitando encharcamientos. “Para saber si los canales tienen o no la capacidad de colección de lluvia, se deben analizar las condiciones de las salidas del pozo de inspección. Los canales deben tener una altura y base mayor que el diámetro de la bajante para evitar desbordamientos, y las salidas de los canales se pueden dividir con el fin drenar una carga uniforme de agua a los largo de todo el canal” (Arthur & Wright, 2005). La norma BS EN 12056 de Gran Bretaña contiene información acerca de las clausulas para eventualidades que se podrían generar. Para el estudio en cuestión se implementa el modelo numérico de Roofnet, en donde se especifican datos relevantes como “detalles de las condiciones de lluvia prevalecientes y detalles de los canales reales, luego se efectuó el modelo de onda cinemática para encaminar la lluvia sobre la pendiente de la cubierta y de los canales, para así determinar instantáneamente las condiciones de flujo de las salidas del pozo de inspección, al igual que simular los efectos de condiciones de flujo restringido.” (Arthur & Wright, 2005) La prueba estuvo dividida en tres fases, “en la primera fase se evaluaron las condiciones de flujo libre, las condiciones de flujo completo en algún punto dentro de la tubería horizontal, y las condiciones de flujo completo que se propagan aguas abajo, hacia la bajante vertical. La segunda fase analiza las condiciones de flujo completo que llegan a la bajante vertical, la cual se empieza a llenar y el sistema se comienza a despresurizar. Y por último, en la tercera fase la acción sifónica se produce, y continúa hasta el fondo.” (Arthur & Wright, 2005) Los resultados obtenidos se representaron gráficamente y se compararon con las predicciones que se habían obtenido, se evidencia una buena aproximación de las dos curvas, confirmando la gran efectividad de las predicciones en cuanto a presión y profundidad del canal. La información citada en este artículo sirve como base de esta investigación para evaluar el drenaje de aguas pluviales en un techo verde, con el fin de evaluar las cargas de lluvia en los drenajes de las cubiertas de la zona de impacto, y compararlo con un prototipo de techo verde en las mismas condiciones de los techos convencionales del sitio en estudio. Uno de los aspectos fundamentales a tener en cuenta es la inclinación del techo verde, que como se menciona anteriormente afecta el rendimiento de la cubierta. El artículo elaborado en el año 2005, por Nicholaus D. Van Woert, D. Bradley Rowe, Jeffrey A. Andresen, Clayton L. Rugh, R, Thomas Fernández, y La Xian, titulado Retención del agua pluvial en techo verde: efectos en la superficie del techo, pendiente y profundidad media, realiza el análisis de dos estudios; el 36

primero se centra en las diferencias en cuanto al comportamiento del agua pluvial de escorrentía sobre un techo con vegetación, un techo con poca vegetación, y un techo con grava lacustre; el segundo evalúa la profundidad del sustrato del techo verde y su pendiente, en función a la retención de agua pluvial de escorrentía, con el fin de desarrollar modelos de predicción. El primer estudio expone tres diferentes configuraciones de techos, uno con vegetación, otro con poca vegetación y el último con grava lacustre. Para la elaboración del montaje, se considera un “geotextil de tela con un espesor entre 1.5cm y 0.75cm, cuya resistencia a presión es de 800 g/m 2. Se implementa Xero Flor XF 158, el cual es un filtro de tela micro-perforado agregado a una red de fibras de polietileno, con un espacio para el crecimiento de la misma de 2.5cm, teniendo una capacidad de almacenamiento de agua pluvial de 7mm”. (VanWoert, y otros, 2005) Sobre cada plataforma se monta un “pluviómetro para cuantificar el agua pluvial de escorrentía, al igual que una estación automatizada para la investigación in situ de parámetros meteorológicos como temperatura, humedad, radiación” (VanWoert, y otros, 2005), etc… El segundo estudio el montaje consta de 4 plataformas, en donde cada una de ellas presenta “variaciones tanto de profundidad del sustrato, como de la pendiente que recibe el agua pluvial, la primera plataforma tiene una inclinación del 2% y una profundidad del sustrato de 2.5cm (2% - 2.5cm), la segunda plataforma presenta (2% - 4.0cm), la tercera plataforma (6.5% - 4.0cm) y la cuarta plataforma (6.5% - 6cm)” (VanWoert, y otros, 2005). La recolección de los datos, tanto para el primer estudio como para el segundo, se ejecutó en “tres diferentes intensidades de lluvia. Baja (menor a 2mm de precipitación), media (entre 2mm y 6mm de precipitación), y alta (mayor a 6mm de precipitación), cada cinco minutos.” (VanWoert, y otros, 2005) Los datos adquiridos se representaron en graficas en donde se logra hallar un promedio de datos generares. En el primer estudio se evidencia una ventaja de la plataforma con abundante vegetación al captar la escorrentía generada por la lluvia, con un 60.6% de retención, seguido de la plataforma con poca vegetación con un 50.4% de captación, y la menos recomendada para la detención de la escorrentía es la plataforma con grava lacustre, ya que tiene un 27.2% de retención de agua pluvial. La precipitación media mensual en la “ciudad de Bogotá D.C desde el año 1901 hasta el 2009, arroja que el mes de mayo es en donde se ha presentado una mayor cantidad de precipitaciones con 309.1 mm de lluvia” (Development Practitioners and Policy Makers), por ende, si se quiere implementar un techo verde en esta ciudad, lo recomendable para este caso es saturar el techo con 37

abundante vegetación, para así asegurar que tendrá la capacidad de sobrellevar el mes de mayo sin inconvenientes. Para el segundo estudio, los resultados obtenidos no presentan una gran ventaja entre plataformas, la configuración “(2% - 2.5cm)” tiene un porcentaje de retención de agua pluvial del “69.8%”, la configuración “(2% - 4.0cm)” tiene un “70.7%” de retención, la configuración “(6.5% - 4.0cm)” tiene un “65.9%” de retención y por último, la configuración “(6.5% - 6cm)” arrojo un “68.1%” de captación. Se concluye que la plataforma más efectiva para retener agua pluvial es la que tiene una pendiente del “2%” y una profundidad de sustrato de “4cm”. Para la investigación en curso, el material del anterior trabajo, proporciona información clave para determinar cuál será la configuración del prototipo de techo verde, tomando como base la frecuencia e intensidad de la precipitación sobre la ciudad de Bogotá D.C. También se debe tener conocimiento acerca de cómo las cubiertas verdes afectan el medio ambiente urbano, por eso el artículo titulado “Techos verdes en ecosistemas urbanos: estructuras ecológicas, funciones y servicios” elaborado en el año 2007, por Erica Obendorfer, Jeremy Lundholm, Bran Bass, Reid R. Coffman, Hitesh Doshi, Nigel Dunnett, Gaffin Stuart, Kohler Manfred, Karen K. Y. Liu y Rowe Bradley, dan un acercamiento a la estructura, función y rendimiento que debe tener un techo verde. En cuanto a los techos verdes se refiere, estos se dividen en dos grupos: extensivos e intensivos, “los requerimientos estructurales para los techos verdes extensivos son normalmente los parámetros que soportan el peso estándar más un peso adicional que oscila entre 70kg y 170kg por metro cuadrado, y para los techos intensivos es necesario una planificación en la fase de diseño, o mejoras estructurales para soportar un peso de entre 290kg a 970kg por metro cuadrado.” (Oberndorfer, y otros, 2007) “El tipo de sustrato para techos verdes extensivos debe ser ligero, poroso, con baja materia orgánica, con una profundidad de 2cm a 20cm, las plantas deben tener crecimiento bajo, la irrigación es poca o nula y no requiere mucho mantenimiento; los techos verdes intensivos tienen un sustrato pesado, poroso, con baja materia orgánica, de profundidad mayor a 20 cm; las plantas tienen un crecimiento alto, y requieren una irrigación y mantenimiento constante.” (Oberndorfer, y otros, 2007) La composición de la mayoría de los techos verdes se diferencia por sus dimensiones, es decir, por la “profundidad y forma que tiene cada capa que conforma el techo verde, este sistema comienza con el soporte estructural” (Oberndorfer, y otros, 2007), el cual se puede diseñar o evaluar, siempre y cuando el edificio tenga un techo ya existente; continúa con el “aislamiento, luego la 38

impermeabilización o barrera de la raíz, la capa de drenaje, la membrana de filtro, el medio de crecimiento y la vegetación.” (Oberndorfer, y otros, 2007) En el artículo se presenta un estudio de la retención de agua de un “techo común y un techo verde, en función a la precipitación de abril a septiembre del año 2002 en Ottawa, Ontario, Canadá” (Oberndorfer, y otros, 2007). Los resultados que se obtienen dejan al techo verde como la cubierta que más capacidad de retención de agua pluvial posee. Los techos verdes proporcionan después de instalados varios beneficios, que favorecen al confort y estética del edificio, como lo es la “refrigeración en verano donde el techo impide la filtración del calor al interior de la edificación, propicio para una temperatura agradable; disminuye el efecto de la isla de calor; se utiliza para fines agrícolas, y mejora la calidad del aire.” (Oberndorfer, y otros, 2007) En el resumen anterior se puede evidenciar el aporte que genera el artículo estudiado a esta investigación, acerca de los pesos y los componentes por capas que generalmente son utilizados en los techos verdes tanto intensivos como extensivos, evidentemente el proceso de análisis estructural de cada construcción con techo verde se debe realizar para asegurar la integridad estructural del edificio. Las cubiertas verdes son elementos conformados por varias capas, de las cuales la capa vegetal y el sustrato (que es el medio de crecimiento de la planta) son las más importantes para la retención de agua pluvial. En el artículo titulado la influencia de la configuración de la vegetación y el sustrato en el rendimiento hidrológico del techo verde elaborado en la Universidad de Leeds, por Virginia Stovin, Simon Poë, Simon De-Ville y Chistian Berretta, en el año 2015, se analiza la escorrentía producida por diferentes techos verdes, utilizando diferentes regímenes de riego y diferentes capas de vegetación. El montaje “comprende 9 bancos de pruebas en camas de techos verdes, que varían sistemáticamente en la composición del sustrato y en los tratamientos de la vegetación. Este experimento se estableció en el verano de 2009, y los datos se han recogido desde febrero de 2010, para evaluar la retención de la escorrentía y el rendimiento de detención de agua para cada tipo de sustrato y vegetación. Cada banco de pruebas tiene 3 m de largo x 1 m de ancho, instalados a una pendiente 1.5%” (Stovin, Poë, De-ville, & Berretta, 2015), la conformación de las capas de techo verde son generalmente la vegetación, el sustrato, el filtro, el drenaje, y la impermeabilización. Similar a las capas que se tienen en cuenta para el presente proyecto, con la diferencia que se quiere utilizar un solo material que funcione al mismo tiempo como filtro y drenaje.

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En cuanto a las pruebas realizadas se simularon eventos de lluvia, con “precipitaciones mayores a 2 mm, y con intervalos de tiempos secos de 6 horas.” (Stovin, Poë, De-ville, & Berretta, 2015) Para la actual investigación, el tiempo durante el cual se podrían recolectar datos implementando el prototipo del techo verde, estaría limitado a un periodo aproximado de 6 meses, tiempo en el cual se pretenden simular eventos controlados de lluvia para evaluar tiempos de descarga, variando la intensidad y la duración de la precipitación, con el fin de prevenir una posible saturación del techo verde. Los resultados que se obtienen de las pruebas realizadas no muestran una variación significativa en cuanto a la retención de los nueve bancos de techos verdes, pero se observa un aumento en la detención de agua pluvial en cubiertas verdes con mayor porosidad. Las plantas juegan un papel importante en este proceso, ya que se demuestra que un techo sin vegetación y con un sustrato desnudo, no tiene un comportamiento bueno en cuanto a recolección, con respecto a un techo verde con capa vegetal, dado que la evapotranspiración de las plantas hace perder humedad más rápidamente. Para el prototipo de techo verde del proyecto en curso, se requiere el análisis de permeabilidad, densidad aparente, y capacidad máxima de retención del sustrato, dado que son factores importantes para la recolección del agua pluvial. Además para poder evaluar el caudal de precipitación que se conduce a los almacenamientos, colocados en lugares estratégicos de la vivienda, en donde se pueda utilizar dicha agua para otras funciones, y también para controlar los niveles de agua que puede soportar la cubierta. La vegetación como se observa en el anterior artículo, cumple una función valiosa en el desempeño del techo verde, puesto que también tienen capacidad de recolección y pueden realizar el proceso de evapotranspiración, para agilizar el proceso de descarga del techo. Para la actual investigación se debe consultar el manual de techos verdes de Bogotá, del cual se va a discutir más adelante, y tomar en cuenta las recomendaciones que se hacen en cuanto a vegetación. Para profundizar en el tema de la capa vegetal, se analiza el siguiente artículo elaborado en mayo del 2008, por Nigel Dunnett, Ayako Nagase, Rosemary Booth y Philip Grime, titulado “influencia de la composición vegetal en la escorrentía en dos experimentos de techos verdes simulados”. En este artículo se realizan dos experimentos, en donde se ponen a prueba distintas variedades de plantas, con el fin de evaluar la eficiencia de cada una en cuanto a la escorrentía. El experimento No 1 “se basó en las observaciones, de la interceptación de la precipitación que varía en los pastizales, dependiendo de la composición de la especie, y la disminución de la precipitación anual, a través de la intercepción de hierbas que puede variar con la especie y la altura de la vegetación. Se construye 40

un sistema de "microcosmos" (comunidades autónomas de plantas artificiales) y lisímetros, que consiste en bandejas con 600 mm de largo x 600 mm de ancho x 150 mm de profundidad, a partir de plástico de polipropileno negro.” (Dunnett, Nagase, Booth, & Grime, 2008) En este primer experimento los resultados arrojados se condensan en la siguiente gráfica. Gráfica 9. Influencia de los diferentes tipos de vegetación en la escorrentía total

Total filtrado 1997-2000

Influencia de los diferentes tipos de vegetación en la escorrentía total 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 suelo una hierba 12 mezclas cuatro desnudo de hierbas especies

cuatro juncias

una juncia

cuatro una gramíneas gramínea

Tipo de vegetación

Fuente: (Dunnett, Nagase, Booth, & Grime, 2008) Como se muestra en la Gráfica 9. Influencia de los diferentes tipos de vegetación en la escorrentía total, se realizó el experimento con 8 situaciones diferentes de composición vegetal. Un solo tipo de césped obtuvo el mejor desempeño. Estos resultados, hacen que en la actual investigación, no se implementen combinaciones para la capa vegetal, será totalmente uniforme conformada por un solo tipo de planta, además el enfoque esta dado hacia el funcionamiento y diseño del techo verde. El experimento No 2 “apuntó a investigar con más detalle el potencial en: fluencia de tipo estructural de la planta, y la diversidad del sistema, en la reducción de la escorrentía de los techos verdes. No hubo ningún intento de utilizar la misma especie que se utilizó en el experimento No 1 (el experimento se centró exclusivamente en la vegetación de pastizales calcáreos). Doce especies fueron seleccionadas de los tres principales grupos taxonómicos empleados en techos verdes: forbs, sedums y pastos.” (Dunnett, Nagase, Booth, & Grime, 2008) En dicha investigación, se construye un modelo para el análisis de lluvia en el cual se controla la cantidad de agua que cae sobre el techo verde, (dicho modelo

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servió como ejemplo para la construcción del prototipo del presente trabajo) simulando “lluvias fuertes (10 mm / h) y lluvia ligera (5 mm / h). Para las Lluvias fuertes, el tanque de agua se llenó hasta 39 cm y se dejó correr hasta que la profundidad fue de 37,4 cm (2 L para cada bandeja). Para la lluvia ligera, el tanque se llenó hasta 22,8 cm y se dejó caer hasta 22.0 cm (1 L para cada bandeja). Cada precipitación duró 15 min. Los eventos de lluvias fuertes se alternaron con eventos de lluvias ligeras durante el período de 12 semanas.” (Dunnett, Nagase, Booth, & Grime, 2008) Los resultados de este experimento contribuyeron positivamente para el desarrollo de la investigación en curso. Los resultados indicaron que “hubo una diferencia altamente significativa entre la cantidad de escurrimiento de agua y los diferentes tipos de vegetación. Las especies de gramíneas fueron las más efectivas para reducir el escurrimiento de agua, seguidas por herbáceas y luego las plantas tipo sedums.” (Dunnett, Nagase, Booth, & Grime, 2008) Dado que las plantas sedum clasifican en este experimento como una de las especies con mayor rendimiento en reducir el escurrimiento de agua, y al adaptarse a las condiciones climatológicas de Bogotá, la convierten en la planta con las características adecuadas para el prototipo de techo verde. En la etapa de diseño del prototipo del techo verde, se tendrá en cuenta dicha información acerca de la eficiencia de las plantas gramíneas con respecto a la planta sedum, para una mejor elección de la capa vegetal. Cuando se prevé la implementación de techos verdes para mejorar la calidad ambiental, o en este caso para recolectar aguas lluvias, es necesario conocer las propiedades físicas que poseen estos techos, y los beneficios que pueden aportar a una edificación. Es por esto, que a continuación se va a realizar el análisis del artículo titulado caracterización experimental de los componentes de techos verdes, escrito por Salah-Eddine Ouldboukhitine y Rafik Belarbi, de la universidad de Rochelle, Francia, en el año 2015. Este artículo estudia 3 componentes primordiales, que son las propiedades termo-físicas del sustrato, el almacenamiento de humedad y las propiedades micro-estructurales del sustrato del techo verde. “Los resultados experimentales fueron implementados para estimar los parámetros utilizados como datos de entrada en el modelo de techo verde, desarrollado para evaluar la eficiencia energética de un edificio” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015), elementos que se tuvieron en cuenta, en el diseño del prototipo del actual proyecto. Para la evaluación de la conductividad térmica se implementó “la sonda TP08 Hukseflux, que consiste en un alambre de calefacción y un sensor que mide la temperatura de la fuente” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015). Los resultados indicaron que el sustrato de la empresa Siplat tuvo una mayor conductividad térmica con diferentes capacidades de agua.

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En cuanto a la resistencia térmica del techo verde se implementaron “dos túneles de viento superpuestos; el túnel de viento en la parte superior simula las condiciones externas, por esta razón fue necesaria la instalación de calefacción con el fin de mantener una temperatura de aire caliente; el túnel de viento en la parte inferior simula las condiciones interiores, el cual está equipado con un aire acondicionado para mantener una temperatura de aire frío.” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015) Se instalaron dos bandejas de techos verdes en el túnel, una con vegetación y la otra sin capa vegetal, los resultados de la prueba muestran que tanto la evaporación como la evapotranspiración de las bandejas con vegetación eran siempre mayor que las bandejas sin una capa vegetal. En cuanto al almacenamiento de humedad se utiliza la técnica DVS (Dynamic Vapor Sorption) para determinar la sorción1 y desorción. Este método se utiliza para caracterizar la transferencia de masa dentro del medio del sustrato. El método se basa en la determinación de la masa para diferentes niveles de humedad relativa. Se observa que el “exceso de agua retenida en los poros más grandes, durante la fase de desorción se mantiene atrapada, generando de este modo un mayor contenido de agua en el caso de sorción. La brecha se reduce debido a que los poros más pequeños se llenan, y la humedad relativa aumenta.” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015) Esta información no proporciona una ayuda concisa para la investigación en curso. Por último “el análisis de la estructura de un material poroso es esencial para el estudio de la durabilidad. Para soportes de techo verde, la permeabilidad debe ser cuantificada en función de su alta porosidad. Una relación entre la estructura porosa y la permeabilidad se determinó usando una distribución estadística de poros. En este estudio, se utiliza la técnica de porosimetría de mercurio para determinar dicha relación.” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015) “Mediante la aplicación de la técnica de porosimetría a los materiales de cubierta de cuatro construcciones (2 tipos de hormigón, una teja romana y un sustrato de techo verde), se obtienen los siguientes resultados; los dos tipos de concretos tienen comportamientos casi idénticos. Sin embargo, la porosidad de la teja romana es más alta que las de los dos concretos. La permeabilidad del sustrato del techo verde es cinco veces mayor que la de los concretos, debido a la concentración de la porosidad.” (Ouldboukhitine & Belarbi, 2015) Esto revela la superioridad del techo verde en cuanto a la capacidad de poder filtrar agua lluvia, lo cual es ideal para el actual trabajo.

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Sorción: “es un proceso determinante en el transporte de compuestos orgánicos en suelo y agua; es un término general utilizado para describir la asociación de compuestos químicos en forma disuelta o gaseosa en el suelo” (Allen-King, Mckoy, & Trudell, 1997)

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La tecnología de los techos verdes, está siendo cada vez más estudiada e investigada en todo el mundo, uno de los países con mayor auge es Estados Unidos, “en Chicago se dan subvenciones a los dueños de las edificaciones que instalen techos verdes” (Sonne, 2006). Este podría ser un buen incentivo en Colombia, para mejorar las condiciones ambientales que a medida que pasa el tiempo empeoran. Uno de los factores a mejorar con la implementación de las cubiertas verdes es el flujo de calor en la cubierta, dado que, en un techo común, dicho flujo puede llegar a afectar la comodidad de los habitantes de la vivienda. En días con altas temperaturas, el calor se concentrará al interior de la edificación, caso contrario ocurre con un techo verde, ya que este mantiene en su interior una temperatura fresca, agradable para los habitantes del inmueble. Para profundizar más en este tema se va a discutir el artículo elaborado por Jeff Sonne en el año 2006, titulado Evaluación de la eficiencia energética del techo verde. El proyecto que se condensa en este artículo fue desarrollado en la Universidad de Florida Central. Se compara un techo verde con un techo convencional, en cuanto a la reflexión que provocaba cada uno, al igual que las temperaturas que registraba cada cubierta a diferentes horas del día. Esta investigación presenta un techo verde experimental y un techo común, “según la metodología del ASTM Estándar EI 918-97, la reflexión del techo convencional y del techo verde resultaron ser del 58% y el 12% respectivamente.” (Sonne, 2006) El inconveniente de la reflexión, es que al filtrarse con los gases, el aire, o la contaminación, afectan la visibilidad de los objetos celestes en la noche. Es un problema que afecta de manera radical, por ejemplo, a la ciudad de México, en donde la contaminación lumínica es tan alta, que en la noche solo se puede percibir una gran masa de luz amarillenta en el firmamento. En las cubiertas también se ubicaron sensores en la zona inferior de cada techo, con el fin de registrar la temperatura de cada techo a lo largo del día, obteniendo que “la temperatura máxima promedio al día visto para la superficie del techo convencional era de 54°C, mientras que la temperatura promedio máxima para la superficie del techo verde, oscilo de 33°C a 22ºC más bajo que el techo convencional.” (Sonne, 2006) Esta reducción representa un gran avance para reducir la contaminación lumínica de algunas ciudades que tienen este problema. En la presente investigación se quiere desarrollar un prototipo de techo verde con el fin de recolectar agua pluvial y evitar una inundación, la información recolectada del anterior artículo no es primordial para la continuación del proyecto, pero se tiene en cuenta como un beneficio adicional al implementar las cubiertas verdes. Un ejemplo claro de la investigación en techos verdes, como solución a la escorrentía generada por las cubiertas cuando llueve, es la ciudad de New York. 44

Leslie Hoffman escribió un documento titulado “modelado de aguas pluviales de techos verdes” en el año 2006, donde explica como la gran manzana, al tener un alcantarillado combinado, es decir, una mezcla de aguas residuales y aguas lluvias, produce una liberación de patógenos, bacterias, y otros contaminantes tras el desbordamiento de algunos emisarios, cuando se presentan eventos de lluvia. Este documento muestra un análisis en el cual se comparan los resultados obtenidos para un techo verde, y para un techo convencional, acerca de la eficiencia que tienen las cubiertas para desviar la escorrentía, y evitar que el agua lluvia llegue al alcantarillado pluvial. El comportamiento de los techos verde tras seis horas de precipitación es muy satisfactorio, ya que la “escorrentía máxima generada por los techos verdes es cercana a un metro cubico, mientras que para el techo convencional, la escorrentía máxima que generó fue cercana a cuatro metros cúbicos.” (Hoffman, 2006) En la ciudad de New York, se espera que esta solución sea apropiada para evitar los desbordamientos, que se presentan en los emisarios cuando hay eventos de precipitaciones fuertes. Así mismo, en la ciudad de Bogotá seria idónea la implementación de esta solución, en donde la investigación que está en curso, muestra un acercamiento a la salida de los inconvenientes de inundaciones mediante la instalación de cubiertas verdes en áreas afectadas de la ciudad. Si se hace una analogía entre un ecosistema de bosque y la ciudad de Bogotá, se podrá entender mucho mejor el concepto de inundación. En primera instancia un bosque está cubierto de grandes y tupidos arboles con una vasta cantidad de hojas, características que no posee la ciudad de Bogotá. Y, en segundo lugar, cuando llueve en el bosque; las hojas y árboles se encargan disipar, retardar y absorber el agua lluvia, que finalmente caerá al suelo en donde se embeberá lentamente. Caso contrario es lo que pasa con la capital colombiana, porque, esta ciudad al estar construida mayormente en concreto, asfalto y techos de barro español o fibrocemento conduce agua lluvia directamente sobre las vías, parques, y tejados, que la guiaran al alcantarillado pluvial. Como en el bosque, Bogotá necesita un elemento que cumpla la función de almacenar temporalmente, disipar, y retardar el proceso en el que las aguas lluvias llegan al drenaje. Mediante esta investigación se evalúa la factibilidad que tienen los techos verdes para cumplir eficientemente la función de los árboles en el bosque, pero sobre la ciudad de Bogotá; reteniendo el agua lluvia, y demorando el trayecto que tiene hasta que llega al alcantarillado pluvial. Un parámetro significativo en cuanto al problema de la temperatura en una ciudad es, como se anotaba anteriormente, la cantidad de verde que tiene un área.

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La isla de calor es un problema de temperatura, en donde el concreto y el asfalto que tiene una ciudad, absorbe el calor de los rayos del sol para luego emitirlos y aumentar la temperatura, envolviendo a la ciudad en una especie de burbuja de calor. Para mitigar el efecto de la isla de calor, es necesario contar con más zonas verdes en la ciudad, y una manera de hacerlo es mediante los techos verdes. El próximo artículo titulado “El rol de los techos verdes en la mitigación de la isla de calor y sus efectos sobre el área metropolitana de Adelaide, Sur de Australia” elaborado por Mostafa Razzaghmanesh, Simos Beecham y Telma Salemi en el año de 2016, compara diferentes categorías de techos verdes, en cuanto al albedo que reflecta cada material en varias zonas del sur de Australia. “El efecto urbano de la isla de calor, es una de las muchas consecuencias del cambio climático en las ciudades. El efecto de la isla de calor, es atribuido al incremento de la temperatura en la ciudad, que es mayor comparada con la de sectores suburbanos, de la periferia o áreas rurales.” (Razzaghmanesh, Beecham, & Salemi, 2016) Esto explica de manera resumida, el impacto que se tiene en la temperatura de una ciudad la cual al tener mayor cantidad de zonas en concreto y asfalto, aumenta el efecto de la isla de calor en comparación con las áreas rurales. En la investigación realizaron estudios de la temperatura de los techos convencionales más comunes, expuestos a la radiación solar, y se obtuvieron temperaturas de “54°C” para techos de metal, “41°C” para pavimento, y “48°C” para asfalto, mientras que para un techo verde la máxima temperatura que se obtuvo fue de 14°C. Este artículo muestra los beneficios en cuanto a temperatura de una ciudad, al implementar el techo verde como solución al problema de la isla de calor. Esta idea también se puede desarrollar para la ciudad de Bogotá, en donde el auge de la construcción está siendo perjudicial para la temperatura promedio de la ciudad. Los techos verdes se caracterizan por traer beneficios ambientales, un mayor confort térmico, gran capacidad de retención de escorrentía, un buen aspecto estético, capacidad para cultivo, y uno de los elementos del cual no se ha investigado mucho, es el desempeño que tienen las plantas y el medio de crecimiento, como filtro de aguas lluvias para mejorar sus condiciones de potabilidad. El siguiente artículo explica como los techos verdes al poseer gran variedad de vegetación y sustratos, pueden contribuir al mejoramiento de la calidad de las aguas lluvias. En el año 2015, Sajedeh Sadat Ghazizadeh, Hilmi Bin Mahmud y Muhammad Aqueel Ashraf, realizaron una investigación titulada “rendimiento del techo verde con respecto a la calidad de agua y reducción del consumo de energía en el trópico”. “Generalmente las aguas lluvias son consideradas aguas puras, pero pueden contener una elevada cantidad de contaminantes, incluyendo metales 46

pesados y microorganismos patógenos,” (Ghazizadeh, Mahmud, & Ashraf, 2015) los cuales podrían afectar negativamente la integridad del techo verde. En este artículo se dice que “la retención de agua de un techo verde es muy buena para tormentas cortas, por ejemplo; Carter y Rasmussen estudiaron un techo verde extensivo de sedum y encontraron que ellos retenían el 88% del agua durante tormentas pequeñas (25.4mm de precipitación), pero solo el 48% en tormentas de larga duración (76.2 mm de precipitación).” (Ghazizadeh, Mahmud, & Ashraf, 2015) Dado que el actual diseño de prototipo de techo verde tiene como principal función el almacenamiento de aguas lluvias para evitar una inundación, se deben hacer pruebas simulando una tormenta de corta y de larga duración para prever cualquier anomalía a la hora de retener la escorrentía. En la investigación se evaluó el efecto que tienen las plantas del techo verde, con respecto a la retención de elementos como el fosforo y el nitrógeno. Se obtuvo que para el tipo de techos verdes que no cuentan con una capa vegetal, los niveles de retención de fosforo son de aproximadamente “0.4” mg/l, y de aproximadamente “6” mg/l para el nitrógeno, este comportamiento es muy similar al del techo verde con una vegetación tipo sedum kamtscha-ticum, por el contrario para las cubiertas que poseen una capa vegetal a base de T. Calycinum y D. Cooperi, los valores aproximados tanto para la cantidad de nitrógeno, como de fosforo retenido, oscilan entre los “0.2” mg/l y “0.4” mg/l. Los resultados anteriores indican el alto rendimiento de las plantas sedum, en cuanto a la retención no solo de la escorrentía como se habló en artículos anteriores, sino también de elementos contaminantes. Para el caso en estudio, se tuvo en cuenta el análisis de la calidad de agua una vez pase todas las capas del prototipo de techo verde.

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5. CARACTERIZACIÓN DE LA LOCALIDAD DE CHAPINERO: COLOMBIA Este capítulo presenta diferentes características propias de la localidad de Chapinero, en donde se relaciona cada una con el problema de las inundaciones que sufre la comunidad. 5.1. UBICACIÓN “La localidad de Chapinero es la número 2 de Bogotá, está ubicada en el centrooriente de la ciudad y limita, al norte, con la calle 100 y la vía a La Calera, vías que la separan de la localidad de Usaquén; por el occidente, el eje vial Autopista Norte-Avenida Caracas que la separa de las localidades de Barrios Unidos y Teusaquillo; en el oriente, las estribaciones del páramo de Cruz Verde, la Piedra de la Ballena, el Pan de Azúcar y el cerro de la Moya, crean el límite entre la localidad y los municipios de La Calera y Choachí. El río Arzobispo (calle 39) define el límite de la localidad al sur, con la localidad de Santa Fe” (Alcaldia Mayor de Bogotá). Figura 3. Ubicación de la zona afectada

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La circunferencia de color morado oscuro que predomina en la Figura 3. Ubicación de la zona afectada, abarca el área en la que se concentran la mayoría de eventos de inundación en la localidad de Chapinero. Los puntos de color azul claro dispersos en toda la zona, corresponden a los lugares en donde se han reportado inundaciones o encharcamientos (ver Tabla 1. Zonas Inundadas del área en estudio). 48

5.2. HIDROLOGÍA “El clima de la localidad de Chapinero es frío, subhúmedo, con tendencia a la sequía a medida que se avanza en sentido sureste, con vientos de baja intensidad y frecuentes heladas que en época de verano favorecen fenómenos de inversión térmica. Temperatura Promedio 14.2°C Humedad relativa en los meses lluviosos 74 a 77% Humedad relativa en los meses secos 66 a 74% Precipitación 1200 y 1000 mm.” (Lozano, 2008). El tiempo que presenta la localidad indica que, para la implementación de un techo verde, es necesario contar con plantas que sobrevivan adecuadamente a estas temperaturas y humedades. “Parte del territorio de la localidad de Chapinero comprende los Cerros Orientales donde nacen las quebradas que la atraviesan y conforman la cuenca media del río Bogotá y la cuenca alta del río Teusacá. Entre las principales corrientes se encuentran el río Arzobispo y las quebradas Las Delicias, Los Rosales, Chicó, Chorrera y La Vieja, que surten sus aguas a la cuenca media del río Bogotá. Las quebradas de Gallinas, Parías, La Esperanza, El León, El Amoladero, El Turín, El Carrizal y Santos desembocan en la cuenca alta del río Teusacá.” (Lozano, 2008) La calidad del agua que recorre tanto los alcantarillados como los canales se debe considerar, dado que al presentarse un evento de inundación, la contaminación en el agua podría poseer patógenos que coloquen en riesgo la salud de los habitantes de las áreas afectadas de la localidad. A continuación se analizan el canal del rio arzobispo, quebradas y colectores Las Delicias, Los Rosales, Morací, La Vieja y Rio Negro (Canal parque el Virrey). “El 16% de los establecimientos que aportan a la cuenca del salitre pertenecen a la localidad Chapinero. En la parte alta de los cerros su aporte en DBO 2 5 es mínimo (inferior al 1%), pero desde la Carrera Séptima hacia el occidente el panorama cambia, presentando una calidad visual del agua regular e incrementando hasta 3.3% su aporte en DBO5 a la cuenca.” (Alcaldia Mayor de Bogotá, 2009) La localidad de Chapinero, a partir de la carrera 7 hacia el occidente representa un ingreso de contaminación, debido a que es una zona comercial. Este lugar es apto para la implementación de techos verdes, puesto que estos impiden la formación de inundaciones. “Muchas fuentes, como las de la quebrada Las Delicias, Los Rosales y Morací, se encuentran intervenidas y alteradas por procesos de urbanización de sus rondas, contaminación con vertimientos de aguas residuales o residuos sólidos o 2

DBO: “se define como la cantidad de oxigeno que necesitan los microorganismos para degradar la materia orgánica del agua residual” (Santambrosio, Ortega, & Garibaldi)

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desviaciones para captación de agua para consumo domiciliario.” (Alcaldia Mayor de Bogotá, 2009) Los problemas que posee el manejo controlado de las aguas incluyen aparte de la contaminación, desviaciones ilegales para captación de agua, lo que representa un riesgo potencial para la comunidad si no se realiza un tratamiento apropiado al recurso hídrico. “Los barrios que intervienen son El Castillo, El Pesebre, Juan XXIII, Calderón Tejada, Los Olivos, Luis Alberto Vega y Bosque Calderón entre otros. Igualmente en algunas zonas de los barrios Pardo Rubio y Mariscal se presenta contaminación por residuos orgánicos y desechos de materiales de construcción (escombros).” (Alcaldia Mayor de Bogotá, 2009) El área de la construcción al contaminar con los desechos de las obras afecta negativamente la calidad del ambiente en general, por otro lado algunos de estos materiales se podría reciclar, o tener un fin productivo y amigable con el medio ambiente. “Se trataría de lugares en los que se producirían nuevos materiales a partir de los escombros, que puedan ser comercializados y así generar un cambio en el comportamiento de este campo en la ciudad y sus alrededores.” (Tellez, 2012) “Se requiere ampliar las áreas de ronda hidráulica y reorganizar viviendas fuera de su cauce. Las quebradas El Chicó, Los Rosales y Las Delicias, están canalizadas desde la Carrera Tercera en tuberías subterráneas que reciben aguas lluvias y desembocan al canal Salitre.” (Alcaldia Mayor de Bogotá, 2009) Con el fin de que el Canal Salitre no presente saturaciones, las cubiertas verdes al ser implementadas sobre las viviendas de la zona atenuarían el caudal de entrada al canal. 5.3. ZONAS VERDES POR HABITANTE “La localidad de Chapinero cuenta con 305 zonas verdes y parques que suman 609.096,37 m2, lo que equivale a 4,95 m2 por habitante, este indicador es ligeramente superior al promedio de la ciudad (4,82 m2 /hab.). La localidad se ubica en un rango medio entre las localidades con mayor cantidad de metros cuadrados de parque y área verde por habitante, ocupando la séptima posición. Viene al caso señalar que Chapinero no cuenta con instalaciones deportivas de uso público” (Lozano, 2008). La Figura 4. Zonas verdes en el área de estudio, muestra la cantidad de zonas verdes del sector, en estos espacios el agua lluvia tiende a drenarse naturalmente. El concepto de drenaje natural se quiere recuperar mediante los techos verdes, ya que estos, al igual que los parques y zonas verdes están en la capacidad de desaguar las aguas lluvias de esta zona de la ciudad de Bogotá mediante infiltración.

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Figura 4. Zonas verdes en el área de estudio

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La zona de estudio en su mayoría es de uso residencial, y cuenta con menos zonas verdes que el restante de la localidad, lo que representa áreas impermeables que generan escorrentía al alcantarillado pluvial y ocasionan problemas de inundación. Sin embargo el escenario a largo plazo es positivo, la Tabla 4. Cantidad de árboles en la localidad de Chapinero. Muestra la cantidad de árboles que posee la localidad desde el año 2007, se puede observar el constante crecimiento que ha tenido la Localidad de Chapinero, resaltando el año 2015 con 19851 árboles más, con respecto al año anterior. Con la siembra e incorporación de árboles a la localidad, las aguas lluvias entrarán en procesos de infiltración y absorción, por lo que las inundaciones perderán la frecuencia de los años anteriores, dado que dichos arboles cumplen básicamente la función que realiza un techo verde como retenedor de agua. Tabla 4. Cantidad de árboles en la localidad de Chapinero Año 2007 2008 2009 2010 2011

Número de arboles 33.472 35.610 35.679 35.795 35.231 51

2012 Año 2013 2014 2015

35.139 Número de arboles 35.239 35.142 54.993

Fuente: (Observatorio Ambiental de Bogotá) 5.4. ESTRATIFICACIÓN SOCIO-ECONÓMICA “En Chapinero predomina la clase socioeconómica alta: el 45,8% de predios son de estrato 6 y ocupa la mayor parte del área urbana local, el 30,8% pertenece a predios de estrato 4, el estrato 5 representa el 11,7%, el 5,5% corresponde a predios de estrato 3, el 1,6% corresponde a predios no residenciales y el 1,5% restante corresponde a predios de estrato 1.” (Lozano, 2008) El sector en estudio está comprendido por los estratos cinco y seis, lo cual indica que al ser uno de los sitios exclusivos de la ciudad, el costo de la instalación de una cubierta verde probablemente sea acogido por los residentes de las viviendas interesadas en la sustitución de techos.

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6. CARACTERIZACIÓN EN TRABAJO DE CAMPO: ENCUESTAS Con el fin de ratificar la información obtenida por el mapa del IDIGER, “densidad de eventos de inundación y/o encharcamientos 2010-2015” anteriormente mostrado, se realiza el 12 de septiembre del 2015 una encuesta a 40 habitantes del sector. El objetivo de la encuesta es investigar la frecuencia de las inundaciones, y si estas producen pérdidas materiales a los habitantes del sector, también se examina el conocimiento de los residentes del área acerca de techos verdes. En la encuesta se plantean las siguientes preguntas: 1.) ¿Qué tan frecuente se presentan inundaciones por lluvias en este sector? 2.) ¿Ha tenido pérdidas materiales a causa de las inundaciones? 3.) ¿Conoce a gente del sector que haya sufrido pérdidas materiales a causa de las inundaciones? 4.) ¿Sabe usted que es un techo verde? 5.) ¿Conoce los beneficios ambientales de los techos verdes? 6.) ¿Conoce las desventajas de los techos verdes? 7.) ¿Estaría dispuesto a instalar un techo verde en su propiedad, para contrarrestar los niveles de inundación y aumentar la calidad ambiental de Bogotá? A continuación, se muestran los resultados de la encuesta realizada. Gráfica 10. Pregunta 1

Personas encuestadas

¿Que tan frecuente se presentan inundaciones por lluvia en el sector? 25

21

20 15

11 8

10 5

0

0

0 cada mes

cada año

cada 2 años

cada 5 años

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

53

nunca

Gráfica 11. Pregunta 2

Personas encuestadas

¿Ha tenido perdidas materiales a causa de la inundación? 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

40

0 si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Las personas encuestadas indican que ocurren inundaciones anualmente (Ver Gráfica 10. Pregunta 1), y no sufren ni conocen gente que haya sufrido pérdidas materiales a causa de la inundación (Ver Gráfica 11. Pregunta 2), aunque mencionaron su insatisfacción por las congestiones del tránsito y los problemas sociales que ocasionan las inundaciones. Gráfica 12. Pregunta 3

Personas encuestadas

¿Conoce gente del sector que haya sufrido perdidas materiales a causa de la inundación? 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

40

0 si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

54

Gráfica 13. Pregunta 4

¿Sabe usted que es un techo verde? Personas encuestadas

35

29

30 25 20 15

11

10 5 0 si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La idea que se plantea, consiste en explicar a las personas encuestadas que respondieran “no” a la preguntas 4, 5 y 6, qué son las tecnologías verdes, con el objetivo de divulgar esta información, puesto que es un tema del cual todos los capitalinos deberían tener conocimiento, dadas las condiciones ambientales en las que se encuentra la ciudad de Bogotá. Gráfica 14. Pregunta 5

¿Conoce los beneficios ambientales de los techos verdes? Personas encuestadas

40

37

35 30 25 20 15 10 5

3

0 si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

55

Gráfica 15. Pregunta 6

¿Conoce las desventajas que traen los techos verdes? Personas encuestadas

40

37

35 30 25 20 15 10 3

5 0

si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Gráfica 16. Pregunta 7

¿Estaría dispuesto a instalar un techo verde en su propiedad, para contrarrestar los niveles de inundación y aumentar la calidad ambiental de Bogotá? 35

32

Personas encuestadas

30 25 20 15 8

10 5 0 0 si

no

Posibles respuestas

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

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tal vez

Se puede evidenciar que en la pregunta 1, la mayoría de personas encuestadas respondieron que cada año se presentan inundaciones en la zona, solo once personas tenían conocimiento de lo que es un techo verde, tres personas conocen sus beneficios ambientales y las desventajas de dichos techos, y ninguna persona ha experimentado pérdidas materiales en las inundaciones. Sin embargo después de que se explicó lo que eran, para que sirven, y que ventajas traen a la comunidad los techos verdes, 32 personas respondieron “si” a la pregunta 7, acerca de instalar techos verdes sobre sus propiedades. Se decide optar por el diseño de un techo verde en capacidad de evitar inundaciones y también que sirva como una conducción para que el agua pluvial recolectada en el techo sea reutilizada en otros servicios, como en los baños, lavado de pisos y fachadas, etc. El análisis de este proceso se profundizará más adelante.

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7. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE Los techos verdes se consideran estructuras sostenibles, están conformados por múltiples capas, las cuales tienen la función de retener el agua de escorrentía, controlar la temperatura, contribuir a la calidad del aire, servir como sembradíos de plantas, y proporcionar estética a la edificación. En Colombia este es un tema que requiere investigación, con el fin de conocer más a fondo las propiedades de dichos techos, y mejorar sus beneficios sostenibles. La idea de esta investigación se basa en analizar el comportamiento de una posible sustitución de los techos convencionales de un sector de la ciudad de Bogotá por techos verdes, para obtener una respuesta hidráulica al problema de las inundaciones, provocadas por la colmatación de las tuberías del alcantarillado pluvial del área. El alcantarillado pluvial en la ciudad de Bogotá es tradicional, busca conducir las aguas lluvias rápidamente a fuera de las urbanizaciones, y de esta manera ha funcionado durante años. Se está dejando de lado el hecho que la ciudad está en un proceso constante de densificación, factor que es directamente proporcional al incremento en la construcción, que conllevaría a convertir zonas verdes en áreas de asfalto y concreto, ampliando los espacios de escorrentía de las aguas lluvias, y generando excesos de caudal al alcantarillado pluvial. De este modo se acrecentaría la capacidad de los ductos y sumado con los problemas de basuras, las tuberías tenderán a colmatarse y generar la inundación. La humanidad cada día crece y avanza, así mismo se deben perfeccionar las condiciones de vida para la población, la ingeniería es la encargada de solucionar los problemas que aquietan una ciudad, de forma ambientalmente responsable y con estrategias sostenibles para solventar las necesidades de la población actual que seguirá creciendo en un futuro. La idea de la implementación de los techos verdes sobre las viviendas del sector en estudio es regresar en el tiempo, y volver a la infiltración natural de las aguas lluvias mediante las cubiertas de las edificaciones, en donde la escorrentía generada puede ser utilizada para otros fines. Las aguas lluvias tardarán más tiempo en drenar agua al alcantarillado pluvial, haciendo que el sistema responda positivamente, puesto que no se sobrepasaría la capacidad de las tuberías que lo conforman. A continuación se explica cada una de las capas que comúnmente conforman los techos verdes, cada una con su respectiva función en el sistema, al igual que la presentación del manual de techos verdes de la ciudad de Bogotá y las capas alternativas con las que se realiza el prototipo de cubierta verde, también se presenta un resumen del marco legal de las construcciones verdes en la ciudad de Bogotá, y por último se muestra el diseño definitivo del prototipo de techo verde. 58

7.1. CAPAS DE LOS TECHOS VERDES Los techos verdes generalmente se conforman en forma descendente, por una capa vegetal, en donde se siembran las plantas, una capa de sustrato, que es el medio de crecimiento de la vegetación, una capa de filtración, la cual “contiene el sustrato y las raíces, pero permite el paso del agua para drenar” (Iturbide, 2007), una capa de drenaje “compuesta por arenas u otros materiales de grano grande que permite el paso del agua pero no de otros compuestos sólidos, y la almacenan o canalizan para su uso posterior” (Iturbide, 2007), y una capa impermeable, cuya función es impedir el paso del agua lluvia al soporte estructural del techo. Los techos verdes se dividen en extensivos e intensivos, para la investigación en curso se considera la implementación de los techos verdes extensivos, puesto que se adaptan eficientemente a la zona afectada dadas las condiciones estructurales de las viviendas. Figura 5. Capas de un techo verde extensivo

Fuente: (DAGER Company, 2016) En primera instancia, el techo verde está integrado por una capa vegetal, un medio de crecimiento, un geotextil, un sistema drenante, una capa impermeable, y un soporte estructural, como se indica en la Figura 5. Capas de un techo verde extensivo. Para adaptarse a las solicitaciones de carga de una edificación, la capa vegetal no puede poseer características de robustez, y se debe ajustar al clima de la ciudad de Bogotá, el cual es frio y lluvioso, por tales motivos se seleccionó como capa vegetal la planta sedum, dado que posee hojas carnosas de color azul verdoso que tienen la capacidad de almacenar agua, por ende, es una planta idónea para su sostenimiento en la capital colombiana. El medio de crecimiento de la planta sedum requiere una “mezcla de tierra de jardín, arena lavada, y tierra arcillosa.” (Nieto, y otros, 2011) En cuanto a las capas que conforman el geotextil, el sistema drenante y la capa permeable, se implementaron materiales alternativos que se ajustan al techo verde. Tanto la 59

capa geotextil como el sistema drenante estarán compuestos por una malla de esponja vegetal de luffa, la cual tiene como función permitir el paso de las aguas lluvias, y soportar el peso del sustrato. Por último, el agua lluvia es un agente patógeno para el soporte de la cubierta, que en general es de concreto o acero, por lo que se implementa una capa impermeable en acrílico. 7.2. GUÍA DE TECHOS VERDES DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ Este manual fue elaborado por la Secretaria Distrital del Ambiente en el año 2011, contiene información acerca de los componentes de los techos verdes, sus beneficios, sus tipos, y su clasificación en la ciudad de Bogotá, así mismo presenta los requerimientos técnicos necesarios para las cubiertas verdes, los cuales se citarán en este apartado. La guía de techos verdes de la ciudad de Bogotá, define dichas cubiertas como “un sistema constructivo que permite mantener de manera sostenible un paisaje vegetal sobre la cubierta de un inmueble mediante una adecuada integración entre 1) El inmueble intervenido, 2) la vegetación escogida, 3) el medio de crecimiento diseñado, y 4) los factores climáticos y ambientales. Para lograr esta integración, el sistema debe desempeñar 6 funciones básicas: 1) Estanqueidad, 2) Drenaje, 3.) Capacidad de retención de agua, 4) Estabilidad mecánica, 5) Nutrición, y 6) Filtración. Se considera como techo verde cualquier superficie de infraestructura horizontal o inclinada con componente horizontal que cubra un espacio. Esta definición incluye terrazas, cubiertas planas, cubiertas inclinadas, placas en espacios interiores, semi-interiores, exteriores o entrepisos de sótanos.” (Nieto, y otros, 2011) A continuación, se citan algunos fragmentos importantes, que contribuyen al desarrollo de la presente investigación. La guía menciona los componentes de un sistema de techos verde, que como se ha expuesto anteriormente corresponden a una capa vegetal, un medio de crecimiento, una membrana filtrante, una membrana drenante, una impermeabilización y un sistema de irrigación. Los beneficios ambientales que ofrecen los techos verdes para la ciudad de Bogotá según indica la guía son:   

“Manejo sostenible del agua lluvia. Mitigación del efecto de la isla de calor y reconstitución del equilibrio climático. Reconstitución del paisaje natural.

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 

Fomento de la biodiversidad. Mejoramiento de la calidad del aire” (Nieto, y otros, 2011).

Algunos de los beneficios económicos que los techos verdes pueden ofrecer son:      

“Aumento de la durabilidad de la cubierta y de la capa de impermeabilización. Incremento del valor comercial del edificio. Reducción del consumo energético y costos de operación. Presentaciones técnicas adicionales. Productividad. Posibles beneficios tributarios y otros incentivos públicos.” (Nieto, y otros, 2011).

La guía define 5 tipos de sistemas de techos verdes según la tecnología empleada, los cuales son, sistemas tipo multicapa monolíticos, sistemas tipo multicapa elevados, sistemas tipo receptáculo, sistemas tipo monocapa y sistemas aeropónicos. Para el presente trabajo se empleará el sistema de techo verde tipo multicapa monolítico, el cual “consiste en apoyar directamente sobre el techo impermeabilizado, varias capas de componentes especializados que tienen continuidad horizontal, lo cual da como resultado un sistema que actúa monolíticamente, como una unidad sobre la totalidad del área del techo o sobre una determinada área” (Nieto, y otros, 2011). Se escoge el sistema de techo verde multicapa monolítico (Ver Figura 6. Techo verde multicapa monolítico), puesto que es la cubierta con mayor trascendencia a nivel nacional, y al realizar el intercambio de los materiales comúnmente utilizados por los materiales alternativos anteriormente mencionados, resulta más eficiente de ejecutar en comparación a las demás clasificaciones. La diferencia entre el sistema multicapa monolítico y el techo verde multicapa elevado (Ver Figura 7. Techo verde multicapa elevado) son los pedestales en los que se apoyan la capa vegetal, el sustrato, la capa filtrante y la capa drenante. Dichos pedestales crean un espacio libre horizontal en la cubierta, lo cual para la investigación en curso se considera irrelevante.

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Figura 6. Techo verde multicapa monolítico

Fuente: (Nieto, y otros, 2011) Figura 7. Techo verde multicapa elevado

Fuente: (Nieto, y otros, 2011)

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El sistema tipo receptáculo (Ver Figura 8. Techo verde receptáculo) consiste en una serie de cajones, en donde se colocan las capas del techo verde, realizando las mismas funciones que los demás sistemas. Al involucrar la instalación de cajones, aumenta el riesgo de infiltración del agua lluvia, al igual que el peso total de la estructura, afectando negativamente la integridad de la edificación. Figura 8. Techo verde receptáculo

Fuente: (Nieto, y otros, 2011) Dado que los sistemas de techo verde monocapa y aereopónico contemplan funciones específicas, se descartan para la implementación de la presente investigación. Aunque poseen características interesantes. El sistema monocapa (Ver Figura 9. Techo verde monocapa) está conformado por “tapetes presembrados que incorporan en una sola capa los componentes del techo verde, y se deben fijar a la capa de impermeabilización” (Nieto, y otros, 2011) lo cual dificultaría el proceso de mantenimiento. El sistema aeropónico (Ver Figura 10. Techo verde aeropónico) no requiere un sustrato, ya que posee un mecanismo de soporte para la vegetación y realiza el proceso de nutrición de las plantas mediante irrigación directa. El sistema aeropónico al carecer de un sustrato o medio de crecimiento, desarticula el objetivo de retención de aguas lluvias en la cubierta verde.

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Figura 9. Techo verde monocapa

Fuente: (Nieto, y otros, 2011) Figura 10. Techo verde aeropónico

Fuente: (Nieto, y otros, 2011)

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También contiene una clasificación en donde se evalúa el propósito y uso del techo verde:  “Techo verde autorregulado.  Techo verde ajardinado.  Techo verde ecológico especializado.  Techo verde huerta” (Nieto, y otros, 2011) En esta clasificación, el proyecto contempla un techo verde autorregulado, dado que las “características básicas de este techo son: autorregulación, autosostenibilidad, y ligereza. Las funciones básicas de la cubierta son: estanqueidad, drenaje efectivo, retención de agua, estabilidad y nutrición. Las prestaciones básicas son: disminución del volumen de escorrentía, atenuación del caudal de evacuación, y aislamiento térmico y acústico” (Nieto, y otros, 2011). Estos son los elementos que se requieren para el prototipo del techo verde que se diseñó. El principal motivo por el cual se escoge un techo verde autorregulado es el peso de la cubierta, puesto que tendrá implicaciones negativas en la estructura de la edificación a implementarse. A sí mismo para un techo verde autorregulado “el espesor del medio de crecimiento oscila entre 20 y 120 mm. El espesor ideal debe ser definido principalmente en función de las necesidades de las raíces de las especies vegetales. Un techo verde autorregulado emplea especies vegetales de bajo porte, con capacidad para sobrevivir en sustratos con bajo contenido orgánico. Altura máxima de la cobertura vegetal: 50 cm.” (Nieto, y otros, 2011) Y por último presenta una clasificación de acuerdo a la robustez del techo verde en:  

“Liviano. Moderado.” (Nieto, y otros, 2011)

La investigación requiere de un techo verde liviano, los cuales tienen una “carpeta vegetal especializada resistente a condiciones ambientales extremas, con altura máxima de 20 cm y un peso total hasta 80 kg/m2 en estado saturado” (Nieto, y otros, 2011). Al igual que la clasificación de los techos verdes, la guía muestra los requisitos necesarios a implementar para cada una de las funciones que debe cumplir un techo verde en la ciudad de Bogotá. La primera función es la estanqueidad, cuyo propósito es “impedir la penetración del agua a la estructura de soporte del Techo Verde, y garantizar que no existan

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filtraciones o deterioros causados por la humedad. Los aspectos clave a considerar son: la capacidad de resistencia a la penetración de las raíces, el tratamiento de los puntos especiales (bajantes, parapetos, bordillos, juntas, etc.), protección de la impermeabilización ante el daño mecánico, y la protección de la impermeabilización ante el deterioro causado por la radiación solar” (Nieto, y otros, 2011). La segunda función es el drenaje, cuyo propósito es “permitir el flujo de agua lluvia o de riego a través del sistema, y conducirla de forma efectiva hacia los elementos de evacuación de la cubierta tales como bajantes, sumideros y canaletas. Mantener las condiciones aeróbicas del sustrato requeridas por la vegetación. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la permeabilidad de los componentes activos, el volumen del aire (Macroporos), la capacidad de drenaje requerida de los componentes estables, la capacidad de drenaje del sistema, el sistema de recolección y evacuación de aguas lluvias del sistema, el drenaje vertical a través del medio de crecimiento y el drenaje horizontal hacia los elementos de evacuación” (Nieto, y otros, 2011). La tercera función es la retención de agua, cuyo propósito es “captar y almacenar la cantidad de agua necesaria en el sistema para garantizar la supervivencia de integridad de la cobertura vegetal en Bogotá D.C. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la capacidad de retención de agua de los componentes activos y la capacidad de retención de agua de los elementos estables” (Nieto, y otros, 2011). La cuarta función es la consistencia, cuyo propósito es “garantizar la estabilidad formal y dimensional del sistema de Techo Verde y sus componentes. Los aspectos clave a considerar son: la resistencia mecánica de los componentes estables ante esfuerzos propios del uso designado, la consistencia del medio de crecimiento, la unión y fijación de los componentes y piezas” (Nieto, y otros, 2011). La quinta función es la nutrición, cuyo propósito es “proporcionar el equilibrio fisicoquímico y los nutrientes requeridos para mantener la cobertura vegetal viva y sana. Los aspectos a tener en cuenta son: el pH del medio de crecimiento, la conductividad eléctrica del medio e crecimiento, el contenido de nutrientes mayores y menores, el contenido de materia orgánica del medio de crecimiento y el contenido de aire del medio de crecimiento” (Nieto, y otros, 2011). Y la sexta función es la filtración, cuyo propósito es “permitir el paso de agua a través del sistema restringiendo el paso de partículas finas. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la retención de partículas finas, la filtración mecánica efectiva y la permeabilidad al agua” (Nieto, y otros, 2011). De igual manera la guía proporciona unas características mínimas de desempeño requeridas con relación al techo verde implementado.

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La primera característica es la economía y eficiencia, cuyo propósito es “ahorrar el material y dinero en la implementación de Techos Verdes garantizando la calidad mediante el uso racional y eficiente de materiales y recursos. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la optimización de cantidades de material y componentes; la interacción de componentes para lograr las funciones requeridas con el mínimo material; la exclusión de componentes innecesarios; el empleo de materiales locales, reutilizados o recuperados; la adaptación a las condiciones técnicas del inmueble y compatibilidad con las condiciones ambientales y la reducción de la huella de carbono” (Nieto, y otros, 2011). La segunda característica es la durabilidad, cuyo propósito es “garantizar la longevidad e integridad de los componentes del Techo Verde durante todo su ciclo de vida útil. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la resistencia a degradación por agentes externos como los biológicos; exposición a la radiación solar, humedad y microorganismos” (Nieto, y otros, 2011). La tercera característica es la estabilidad, cuyo propósito es “garantizar la estabilidad del sistema en el inmueble intervenido durante su vida útil y evitar deformación, desplazamiento o desacomodo de sus componentes. Los aspectos clave a tener en cuenta son: confinamiento, transición y separación de tipos de superficies, protección ante efectos de succión y desplazamiento por viento, y protección contra la erosión” (Nieto, y otros, 2011). La cuarta característica es la vitalidad, cuyo propósito es “garantizar la vitalidad de la cobertura vegetal del Techo Verde durante su vida útil. Los aspectos clave a tener en cuenta son: adaptabilidad de las especies vegetales seleccionadas al medio ambiente del techo verde a intervenir, compatibilidad biológica del medio de crecimiento y las especies vegetales, nutrientes, proceso de consolidación total de la capa vegetal, irrigación, fertilización y resiembras, y resistencia a plagas y ataques biológicos” (Nieto, y otros, 2011). La quinta característica es la continuidad operativa cuyo propósito es “garantizar la operatividad funcional del Techo Verde implementando en un inmueble específico a lo largo de toda su vida útil, mediante el diseño y la ejecución de un plan de seguimiento post instalación de acuerdo al tipo o tipos de Techo Verde. Los aspectos clave a tener en cuenta son: el seguimiento postinstalación, el monitoreo, la inspección, las actividades y frecuencia de mantenimiento, y las reparaciones” (Nieto, y otros, 2011). La sexta característica es la integridad del inmueble, cuyo propósito es “garantizar que el techo verde no afecte la integridad estructural y física de la totalidad del inmueble. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la capacidad estructural del techo del inmueble, la capacidad estructural del inmueble, las cargas vivas y cargas muertas del techo verde en estado saturado, y la prevención de incendios” (Nieto, y otros, 2011). 67

La séptima característica es la compatibilidad funcional con el inmueble, cuyo propósito es “evitar que el techo verde interfiera con el funcionamiento óptimo del inmueble y demás componentes técnicos del techo. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la evaluación de aguas lluvias, el acceso y tránsito para el sistema de limpieza de fachadas, las áreas libres para instalación de los equipos necesarios, el acceso y tránsito para la instalación y el mantenimiento de equipos en cubierta, y la compatibilidad con otros requerimientos funcionales específicos de cada inmueble” (Nieto, y otros, 2011). La octava característica es la conectividad ecológica, cuyo propósito es “integrar ecológicamente el Techo Verde a los elementos de la estructura ecológica principal establecidos por el POT. Los aspectos clave a tener en cuenta son: la integración ecológica con la fauna y la flora local, y la adaptación a las condiciones locales ambientales” (Nieto, y otros, 2011). Y la novena característica son los servicios ambientales prioritarios, cuyo propósito es “priorizar la generación de servicios de acuerdo a las deficiencias ambientales del área urbana donde se localiza el inmueble. El aspecto clave a tener en cuenta es la identificación y priorización de las problemáticas ambientales” (Nieto, y otros, 2011). Cuando se trate del diseño del techo verde como tal, se requerirá del análisis detallado de cada una de las funciones y características citadas anteriormente, con el fin de cumplirlas, y realizar el diseño de la cubierta en el marco de la guía de techos verdes en Bogotá. Todos los diseños y proyectos en ingeniería deben tener un orden lógico, y la guía de techos verdes en Bogotá, explica cada uno de los pasos a seguir para realizar el diseño apropiado de un techo verde. Antes de iniciar con el diseño del prototipo es necesario conocer los elementos que se deben adoptar para la implementación de un techo verde. 

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Los requisitos previos de seguridad; “todas las actividades de instalación de sistemas de Techos Verdes en la ciudad deben cumplir con los protocolos de seguridad industrial exigidos en la construcción, el personal debe contar con la dotación de Elemento de Protección Personal (EPP), y las actividades que tengan un riesgo de caída de una altura mayor a 1,5 m deberán cumplir con procedimientos y medidas de seguridad colectivas e individuales para trabajos en altura. Aplican todas las normas nacionales o distritales en la materia” (Nieto, y otros, 2011). Los requisitos previos a la instalación; “indican que el acabado de la placa o superficie sobre la cual se va a instalar la membrana debe ser homogéneo.

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Con el fin de garantizar un adecuado drenaje del sistema y evitar posibles estancamientos de agua que pudiesen efectuar los puntos críticos de la impermeabilización, es indispensable tener pendientes hacia los desagües de al menos 2%. La red de evacuación del agua lluvia de la cubierta estará conformada por desagües puntuales en caso de sifones o desagües lineales en el caso de canales o vigas canales” (Nieto, y otros, 2011). En la instalación del techo verde se debe “revisar el estado de la placa o superficie de soporte” (Nieto, y otros, 2011), los demás aspectos de instalación se tendrán en cuenta en el apartado No 8 titulado construcción del prototipo de techo verde.

7.3. MARCO LEGAL DE LAS CONSTRUCCIONES VERDES EN BOGOTÁ D.C. A continuación, se realiza un resumen del marco legal actual, que tiene la capital de la republica colombiana, en cuanto a temas relacionados con construcciones verdes. El acuerdo 391 de 2009, “por medio del cual se dictan lineamientos para la formulación del plan distrital de mitigación y adaptación al cambio” (Concejo de Bogotá, 2009), implica la necesidad de un plan de mitigación y adaptación al cambio climático, para mejorar la calidad de vida de la población y ayudar con el desarrollo de una ciudad sostenible. Así mismo el acuerdo emite unas estrategias que incluyen: “mejorar la observación sistemática del clima, los gases de efecto invernadero y sus precursores. Implementación de un sistema de alertas y de prevención de desastres relacionados con la variabilidad climática. Formulación de los escenarios climáticos a nivel espacial en particular los diferentes microclimas de la ciudad (islas urbanas de calor potenciales). Generación de nuevos hábitos, consumo y promoción de renovación tecnológica. Generación de nuevos pulmones verdes y aumento de los niveles de captura de CO2. Diseño y construcción sostenible. Implementación de medidas de adaptación concertadas para las zonas y áreas prioritarias de la ciudad, así como para las zonas más vulnerables a los efectos y eventos naturales y climáticos. Promoción del transporte que use combustibles limpios. Eficiencia energética, uso y aprovechamiento del agua. Minimización, separación en la fuente y aprovechamiento de los residuos sólidos. Sensibilización, educación, comunicación y socialización de los impactos y efectos del cambio climático. 69

Evaluación y monitoreo mediante un sistema de indicadores ambientales de adaptación al cambio climático.” (Concejo de Bogotá, 2009) Como se observa, en las estrategias que contiene el presente acuerdo, para garantizar la mejora de la calidad de vida y la adaptación al cambio climático en la ciudad, se contemplan varias de las características que posee la actual investigación en techos verdes. Esto muestra el interés de la ciudad de Bogotá y la preocupación de su gobierno por los problemas climáticos, y también por los proyectos ambientales, que se “desarrollan en el marco de los mecanismos de desarrollo limpio y sustentable” (Concejo de Bogotá, 2009), como lo es el diseño de prototipo de techo verde como solución a problemas de inundación. Otro de los acuerdos que promueve los temas de cambio climático y proyectos de sostenibilidad es el acuerdo 418 de 2009 “por el cual se promueve la implementación de tecnologías arquitectónicas sustentables, como techos verdes o terrazas verdes, entre otras en el D.C.” (Concejo de Bogotá, 2009). Este acuerdo ampara en forma directa el proyecto de esta investigación, puesto que en sus artículos se resalta la promoción del urbanismo sostenible, y la implementación de techos verdes sobre las estructuras públicas que se diseñen, no obstante, este no es un limitante para realizar la ejecución de cubiertas verdes sobre construcciones privadas. El artículo 3 menciona que “La Secretaria distrital de Ambiente y el Jardín Botánico José Celestino Mutis, prestara la asesoría y el soporte técnico cuando sea necesario sobre las diversas especies vegetales recomendadas, sustratos, nutrientes y mantenimiento de las coberturas vegetales en los techos o terrazas verdes en la ciudad” (Concejo de Bogotá, 2009). El acuerdo refleja la prestación de entidades como el jardín botánico de la ciudad de Bogotá, para colaborar en procesos como el desarrollo de proyectos que contribuyan al mejoramiento sostenible de la ciudad, y la inclusión de tecnologías verdes en el diseño estructuras distritales. El decreto 531 de 2010 “por el cual se reglamenta la silvicultura urbana, zonas verdes y la jardinería en Bogotá y se definen las responsabilidades de las Entidades Distritales en relación con el tema” (Moreno & Nieto, 2010), considera el artículo No 79 de la constitución política de Colombia, que “Todas las personas tienen derecho a gozar de un ambiente sano. La Ley garantizará la participación de la comunidad en las decisiones que puedan afectarlo. Es deber del estado proteger la diversidad e integridad del ambiente, conservar las áreas de especial importancia ecológica y fomentar la educación para el logro de estos fines” (Asamblea Nacional Constituyente, 1991). En este decreto se manifiesta toda la información que concierne a aspectos de desarrollo sostenible y tecnologías verdes. El decreto dictamina la intención del pueblo en general y la capacidad que tienen las personas naturales para 70

informarse en estos temas, y poder contribuir con proyectos que ayuden a potencializar el contenido ambiental en la ciudad. La Secretaria Distrital de Ambiente junto con el Jardín Botánico José Celestino Mutis, son las entidades encargadas que proveer la planificación de la silvicultura urbana, y dar información y acompañamiento a los diferentes trabajos que consideren la implementación de una tecnología sostenible, como en el caso del techo verde. Tanto el Jardín Botánico como la Secretaria Distrital de Ambiente, pueden concertar con otras entidades que administren el espacio público para el desarrollo de técnicas ambientalmente sostenibles. El artículo 6 del presente decreto presenta el Manual de silvicultura Urbana, Zonas Verdes y Jardinería para Bogotá, el cual dice: “La Secretaría Distrital de Ambiente y el Jardín Botánico José Celestino Mutis revisarán conjuntamente el Manual de Silvicultura Urbana, Zonas Verdes y Jardinería para Bogotá, el cual será adoptado mediante Resolución de la Secretaría Distrital de Ambiente, y será de obligatorio cumplimiento en el Distrito Capital” (Asamblea Nacional Constituyente, 1991). Todas las personas o entidades que ambicionen en sus proyectos el desarrollo de técnicas ambientales de construcción, se podrán guiar por este manual y evaluar los aspectos a tener en cuenta para un mejor desempeño de la construcción. La resolución 3654 de 2014 “por la cual se establece el programa de reconocimiento –BOGOTÁ CONSTRUCCION SOSTENIBLE-” (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014). Dado el alcance que tiene el proyecto en curso, el cual se basa en la sustitución de los techos convencionales por techos verdes en el área afectada de la localidad de Chapinero, esta resolución brinda los criterios de evaluación para proyectos urbanos y de edificaciones, entre los cuales están: 

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“Componente Urbano (URB); la planificación urbana debe procurar el desarrollo de metodologías para entender las condiciones del entorno y la integración de los sistemas que componen la ciudad (Estructura Ecológica principal y complementaria, estructura funcional y de servicios, socioeconómica y espacial) en una estructura sostenible. Eje temático Social (URB-S); consiste en integrar al diseño los aportes de la población del lugar, mediante el desarrollo de metodologías participativas que permitan al proyecto responder a las necesidades de la comunidad. Procurando la reducción de los desequilibrios, la segregación sociocultural, socioeconómica y ambiental. Así como los niveles de marginalidad y precariedad de las condiciones del entorno. Considerando para esto las necesidades de la ciudadanía durante la planeación del proyecto, en pro de los beneficios de los habitantes, su calidad de vida y el derecho a la ciudad.

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Eje temático Sistema Constructivo (SC); tiene por objeto innovar en las técnicas constructivas, minimizando los impactos ambientales negativos producto de la fabricación, uso y disposición de materiales para construcción. Eje temático Energía (EN); el desempeño energético de las edificaciones se evalúa en términos de fuente de energía, consumo energético, así como las pérdidas por generación y transmisión. Es por eso que para el mejoramiento de la eficiencia energética se hace necesario potenciar las oportunidades de conservación de energía e implementando las estrategias desde la planeación hasta la operación. Eje temático agua (AGU); tiene por objeto potenciar, disminuyendo la presión del recurso y los costos ambientales asociados a la actividad humana” (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014).

En la presente resolución también se explica una calificación por puntos otorgada para la categoría de urbanismo y arquitectura, que se divide en 3 niveles. El trabajo de investigación en techos verdes que se está considerando, cumple con los ejes temáticos de la presente resolución, y crea una expectativa para una nueva composición estructural de un techo verde, que requiere menores costos de fabricación y sería tan efectivo como el que se tiene actualmente. Otra de las resoluciones que aplica para ser nombrada en el área de construcciones ambientales, es la resolución 5926 de 2011, “por la cual se crea y regula el programa de reconocimiento ambiental a Edificaciones Ecoeficientes PRECO-” (Secretaría Distrital de Ambiente, 2011). En el artículo tres de la presente resolución se habla acerca del PRECO que es el mecanismo de reconocimiento público de la Secretaría Distrital de Ambiente a las edificaciones ubicadas en el Distrito Capital que implementen tecnologías limpias con criterios ambientales y de ecoeficiencia; basados en el cumplimento de la normatividad ambiental vigente y los principios de sostenibilidad urbana, en busca de mitigar los factores de deterioro ambiental y elevar la calidad de vida de los ciudadanos Por medio de este artículo se puede incentivar a la población residente de la zona de afectación de la localidad de Chapinero en cuanto al tema de la instalación de las cubiertas sobre sus propiedades. En el capítulo 5, se dan los criterios de evaluación que se deben tener en cuenta, entre los cuales se consideran el “aislamiento acústico, el diseño de las edificaciones para el aprovechamiento de la luz natural, el diseño de las edificaciones para el aprovechamiento de la ventilación natural, la implementación de techos verdes, la implementación de jardines verticales, la implementación de

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sistemas urbanos de drenaje sostenibles (SUDS), la incorporación de elementos de importancia ambiental, insumos ahorradores de agua, insumos ahorradores de energía, materiales de cumplimiento ambiental, el mejoramiento del espacio público, reutilización de materiales de construcción y escombros, los sistemas de utilización de agua lluvia y el uso de energías alternativas renovables” (Secretaría Distrital de Ambiente, 2011). Como se puede apreciar, la implementación de techos verdes contribuye positivamente al cumplimiento de varios aspectos, que se tienen en consideración cuando se va a evaluar una construcción, y uno del elemento por el cual se obtienen más puntos en la evaluación es el ahorro de agua. De esta manera la implementación de un techo verde esta visto como un foco de múltiples beneficios, para el medio ambiente de la ciudad y para los habitantes de la edificación donde se instale. Por último se discute la resolución 6423 de 2011, “por medio de la cual se adopta la Guía Técnica de Techos Verdes” (Secretaría Distrital de Ambiente, 2011). Esta es tal vez la resolución más importante para el diseño del prototipo de techo verde que se está considerando en la investigación, ya que, gracias a esta, se publica la primera guía de techos verdes en la ciudad de Bogotá y con la cual se hizo el diseño del prototipo que es presentado en el siguiente apartado. La ciudad de Bogotá necesita avanzar en temas de construcciones ambientalmente sostenibles, puesto que su ejecución no es frecuente y son temas novedosos, que deben ser cada vez más investigados e implementados tanto por las entidades públicas como privadas a nivel nacional. De esta manera como se describía en los acuerdos, decretos y resoluciones pasadas, se garantiza la adaptabilidad de la comunidad colombiana al cambio climático y el compromiso con el mejoramiento del medio ambiente en el país. 7.4. DISEÑO DEL PROTOTIPO Para el prototipo de techo verde se unifican las capas del filtro y drenaje utilizando un material que pueda realizar las dos funciones en forma eficiente. Los techos verdes están conformados por las capas de filtro y drenaje, las cuales son independientes entre sí. Al unificar estos dos elementos se busca optimizar tanto económica como la funcionalmente el sistema de la cubierta, dado que al implementar un solo material que realice las dos funciones, la inversión final del techo verde disminuye y el proceso del paso del agua será sencillo y eficiente. Para las capas del prototipo se tiene una capa vegetal la cual será una planta sedum, es una “planta herbácea perenne, de porte erguido que puede alcanzar 30-60 cm; hojas carnosas y suculentas, alternas de color azul verdoso, que tienen 73

la capacidad de almacenar agua por lo que se adaptan muy bien a la sequía” (Nieto, y otros, 2011). Se eligen las plantas sedum por la tradición que tienen en la implementación de techos verdes, también por ser una planta adaptable a las condiciones climatológicas de la ciudad de Bogotá, también es eficiente para el almacenamiento de agua pluvial, su medio de crecimiento es sencillo y no requiere constante mantenimiento, estas características la hacen una planta excelente para su instalación y adaptación. En cuanto al medio de crecimiento, se adopta el sustrato recomendado por la guía de techos verdes de Bogotá, la cual está conformada por “tierra normal de jardín, mezclada con arena lavada y tierra arcillosa. Tolera suelos pobres, y no requiere suelos profundos,” (Nieto, y otros, 2011) la guía también señala una altura del sustrato que puede variar de 80 a 120 mm. Cabe anotar que la composición de capa vegetal y sustrato de la que se habló, no requiere de un mantenimiento de riego muy frecuente, se debe realizar la plantación al sol o semisombra, y “generalmente son resistentes a plagas y enfermedades, pero se pueden ver afectados por hongos ocasionados por exceso de riego” (Nieto, y otros, 2011) Pasando a las capas de filtro y drenaje, como se mencionó anteriormente se unifican mediante la implementación de la esponja vegetal de luffa, la cual “es una planta exótica de origen asiático que nace de manera silvestre en la zona del Amazonas. Es una enredadera de la familia de las cucurbitáceas que puede llegar a alcanzar una altura de más de 15 metros,” (esponjas vegetales, 2014). La esponja vegetal de Luffa posee características de rigidez y porosidad, al ser fuerte estructuralmente cumple la función de sostener la capa vegetal y el sustrato, y al tener características porosas, controlan las raíces de la capa vegetal y permiten el flujo libre del agua pluvial. La impermeabilización está conformada por una lámina de acrílico, que protege al soporte de la estructura de entrar en contacto con la escorrentía generada; también es el área por donde se conduce el agua lluvia a los ductos de drenaje, que la transportan a los almacenamientos colocados en sitios determinados de la edificación, con el objetivo de reutilizar la escorrentía. Se espera que el anterior planteamiento cumpla eficientemente con los requerimientos impuestos por la guía de techos verdes de la ciudad de Bogotá. Para el diseño del prototipo se tuvo en cuenta que la estructura del techo verde, debe estar a una altura del piso para recaudar la información del caudal que se drena; por ello, lo primero que se contempla son 4 columnas de madera de 5 cm de ancho x 5 cm largo x 178 cm de alto.

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Estas soportan toda la estructura del prototipo, que continua con un soporte de madera de 70 cm de ancho x 70 cm de largo x 3 cm de alto; seguido de la capa de impermeabilización en acrílico 50 cm de ancho x 50 cm de largo, en cuya superficie se distribuyen 16 agujeros de 1.3 cm de diámetro que atraviesan la capa de impermeabilización y el soporte de madera, con el fin de conducir el caudal fuera de las capas que componen el techo verde. Figura 11. Perfil del diseño de la estructura del prototipo

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Luego de la capa de impermeabilización continua la capa de filtro y drenaje, que para el caso de este prototipo se considera como una sola capa con un espesor aproximado de 5 cm a base de esponja vegetal de luffa. Esta resiste las capas superiores del sustrato con una altura de 10 cm y la capa vegetal, las capas de impermeabilización, filtro-drenaje, sustrato y vegetal están contenidas en 4 muros de acrílico de 30 cm de alto, que tiene.

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Figura 12. Corte A-A del prototipo de techo verde

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Una vez que se consideren las capas del techo verde, se simula el ingreso del caudal de entrada proveniente de la precipitación, para ello en la zona superior de la estructura del prototipo se coloca una “viga” ubicada en sentido transversal, con el fin de situar un rociador de agua monitoreado mediante una válvula de bola para representar la precipitación. Figura 13. Corte B-B del prototipo de techo verde

Fuente: Oscar Contreras Bejarano De esta manera se constituye el diseño del prototipo de techo verde.

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Figura 14. Diseño del prototipo de techo verde

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 8. MODELO DE INUNDACIÓN EN EPA SWMM Con el fin de verificar el diseño del modelo de techo verde se implementa un modelo de inundación en EPA SWMM. A continuación es presentado el proceso de simulación. La problemática de la zona afectada ubicada en la localidad de Chapinero se enfoca en la escorrentía generada por los techos verdes, que posteriormente es drenada al alcantarillado pluvial, y debido al mal manejo de basuras, se presentan obstáculos para el flujo libre del agua lluvia, esto trae como consecuencia las inundaciones que afectan a este sector de la ciudad de Bogotá. El programa SWMM se utiliza para la planificación, análisis y diseño relacionado con la escorrentía de aguas pluviales, alcantarillado sanitario, y otros sistemas de drenaje en zonas urbanas. SWMM es un programa de simulación de calidad de agua, hidrología e hidráulica dinámica. “Se utiliza para la simulación de largo plazo de la calidad y cantidad de escorrentía en áreas principalmente urbanas. El componente de la escorrentía opera sobre un conjunto de zonas de captación que reciben la precipitación. La porción de enrutamiento transporta esta escorrentía a través de un sistema de tuberías, canales, dispositivos de almacenamiento/tratamiento, bombas y reguladores” (Agencia de Protección Ambiental, 2005). 77

A continuación, se describe cómo y cuáles datos son los requeridos para ingresar al programa, al igual que el procedimiento para realizar el modelo de inundación de la zona. 8.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MODELADO 8.1.1 RECONOCIMIENTO DE LA PLATAFORMA En primera instancia se realiza el reconocimiento de la plataforma de trabajo, en donde se observan las principales funciones utilizadas en el proceso de la elaboración del modelo de inundación. Figura 15. Reconocimiento de la plataforma SWMM

Fuente: Oscar Contreras Bejarano En cuanto al No.1, es el espacio libre del programa para que el usuario indique gráficamente lo que se quiere modelar, mediante las herramientas de la columna que se encuentra en el No.2. En la columna de herramientas se modelan pluviómetros, los cuales determinan la intensidad de la tormenta, sub-cuencas, que corresponden a las áreas en las que se genera la escorrentía. Para el caso de la presente investigación, representarían los techos de las urbanizaciones. Los nudos, que son puntos que determinan las cotas de las tuberías al inicio y al final de su longitud. Entre otras funciones que, para el modelo de la investigación en curso, no se van a considerar dado su poca influencia en el proyecto. Las opciones presentadas en el espacio No.3 se consideran las características climatológicas, hidrológicas, hidráulicas, de calidad, entre otras, para simular las

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condiciones del entorno de la modelación. El dibujo del rayo que se encuentra en la zona superior del formato No.4, realiza el proceso de análisis del modelo, e indica los problemas que tiene. En primera instancia se modelan gráficamente las sub-cuencas, estas corresponden a las cubiertas de la zona, estas sub-cuencas se dividen en áreas aferentes con respecto a los nudos de las redes de alcantarillado pluvial. 8.1.2 DIBUJO DE LAS SUBCUENCAS (CUBIERTAS) En el programa SWMM las subcuencas representan áreas de terreno, las cuales al recibir precipitación la convierten en escorrentía o la infiltran, que posteriormente se drena a un punto de descarga. Para la presente investigación las subcuencas representan las cubiertas de las edificaciones. A continuación se explica el procedimiento que se realiza para ingresar las propiedades tanto de los techos convencionales como de los techos verdes. Teniendo como soporte el plano de la red de alcantarillado pluvial de la zona en estudio (Ver Figura 16. Red de alcantarillado pluvial de la zona de estudio), proporcionado por la empresa de acueducto y alcantarillado de la ciudad de Bogotá, se dibujan las áreas aferentes respeto a los pozos de inspección, los cuales representan los puntos de descarga de la red. Figura 16. Red de alcantarillado pluvial de la zona de estudio

Fuente: (Acueducto Agua y Alcantarillado de Bogotá, 2014) Los pozos de inspección están distribuidos a lo largo de las calles que conforman los barrios Chico norte; Chico Norte II Sector; Chico Norte III Sector, de la

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localidad de Chapinero, y Santa Bibiana; y El Rincón del Chico de la localidad de Usaquén. Como se explica en la Figura 17. Áreas aferentes de los techos según el punto de descarga, cada uno de los pozos de inspección tiene un área aferente de techos según su ubicación, en los cuales se descarga la escorrentía de los techos generada por las aguas lluvias. Figura 17. Áreas aferentes de los techos según el punto de descarga

Fuente: Oscar Contreras Bejarano En el programa SWMM se coloca como fondo de pantalla el plano de la red de alcantarillado pluvial de la zona afectada, con base en esta imagen se dibujan las subcuencas, teniendo en cuenta las propiedades tanto de los techos convencionales como de los techos verdes que se describen a continuación. 

TECHOS CONVENCIONALES

La plataforma SWMM requiere de las siguientes propiedades (Ver Tabla 5. Datos requeridos por SWMM para una subcuenca) para el análisis del modelo:

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Tabla 5. Datos requeridos por SWMM para una subcuenca

Fuente: Oscar Contreras Bejarano El nombre corresponde a cualquier identificación que el usuario desee asignar a la subcuenca, para el modelo realizado, los nombres son los números que corresponden al orden en el que su dibujaron. Las coordenadas X y Y, se interpretan como la localización en el eje X y Y respectivamente en el plano de trabajo. Los demás parámetros se explican a continuación. La descripción es un comentario o descripción opcional de la subcuenca, al igual que la marca, la cual es una categoría o clasificación opcional del objeto que se dibuja. 

PLUVIÓMETRO

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El pluviómetro es un indicador de lluvia, que muestra la intensidad de precipitación en el área afectada. Se debe asignar un pluviómetro a cada una de las subcuencas, dado que estas tienen la función de convertir el agua lluvia en escorrentía y verterlas a los pozos de inspección. Este tema se explicará más adelante. 

DESCARGA

La descarga, es el nudo al cual se conduce la escorrentía generada por la subcuenca. En la Figura 17. Áreas aferentes de los techos según el punto de descarga, se muestra gráficamente este proceso, los círculos en las calles, representan los pozos de inspección en el modelo, y las líneas punteadas corresponden a la descarga de la subcuenca al pozo de inspección correspondiente. 

ÁREA

Corresponde al área de la subcuenca, expresada en hectáreas. 

ANCHO

Es la anchura característica del flujo debido a la escorrentía superficial dada en metros. El ancho se interpreta como la longitud perpendicular del techo por donde fluye el agua lluvia. Las subcuencas en el modelo están conformadas por las cubiertas de las edificaciones que pertenecen a la zona afectada, las cuales poseen un grado de inclinación por el cual fluye la escorrentía generada por las aguas lluvias, la longitud del lado transversal a la dirección del flujo se denomina ancho, como se aprecia en la Figura 17. Áreas aferentes de los techos según el punto de descarga. Figura 18. Ancho de la subcuenca

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

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

PENDIENTE

Después de ingresar el ancho se debe indicar la pendiente de la superficie del techo, la cual no puede ser “menor al 2%” (Nieto, y otros, 2011). Teniendo en cuenta las características de inclinación de las cubiertas de la zona de afectación (Ver Figura 18. Ancho de la subcuenca), se decide asignar una pendiente promedio en todos los techos del 5%. Figura 19. Pendiente típica de los tejados de la zona en estudio

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 

ÁREA IMPERMEABLE

También se denota el área impermeable, que para el caso de techos convencionales sería del 100%, puesto que la totalidad del caudal de las aguas lluvias, llegan a la calle y posteriormente al alcantarillado pluvial. 

COEFICIENTE n (IMPERMEABLE)

Los techos convencionales se componen de tejas de barro español, fibrocemento, o tejas plásticas. Se realiza una comparación entre los coeficientes n de dichos materiales, con el fin de hallar un valor promedio, puesto que dichos materiales poseen coeficientes similares. Como se aprecia en la Tabla 6. Coeficiente n de Manning, el acero liso, pintado, el cemento tanto pulido como no pulido, la madera cepillada, y la teja de arcilla tienen coeficientes n de Maning que varían desde 0,011 hasta 0,014 con incertidumbres de hasta 0,003. Se toma la decisión de incluir un coeficiente de 0,012 como valor de todos los techos convencionales del área en estudio.

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Tabla 6. Coeficiente n de Manning

Fuente: (Universidad de Sevilla, 2007) 

COEFICIENTE n (PERMEABLE)

Al igual que en la zona impermeable, se debe agregar el coeficiente n de Manning para la zona permeable, el cual es cero debido a la carencia de áreas permeables de un techo convencional. 

ALMACENAMIENTO EN DEPRESIÓN IMPERMEABLE

El almacenamiento en depresión es “el máximo almacenamiento en superficie debido a la inundación del terreno, el mojado superficial la superficie del terreno y los caudales interceptados en la escorrentía superficial por irregularidades del terreno” (Agencia de Protección Ambiental, 2005). Para entender mejor este concepto la figura 19 explica los diferentes caudales de salida que se pueden presentar en un terreno, tales como la infiltración, la evaporación y la escorrentía. El parámetro , corresponde al almacenamiento en depresión, el cual para una superficie impermeable contempla valores pequeños en relación con superficies permeables. 84

Figura 20. Visión conceptual del fenómeno de escorrentía en SWMM

Fuente: (Agencia de Protección Ambiental, 2005) Los valores recomendados que se dan para el almacenamiento en depresión se presentan en la Tabla 7. Valores típicos de almacenamiento en depresión. Tabla 7. Valores típicos de almacenamiento en depresión

Fuente: (American Society of Civil Engineers, 1992) Se asigna un valor de cero para el almacenamiento en depresión de los techos convencionales de la zona afectada, dado que al tener superficies lisas, no hay presencia de láminas de agua acumuladas. Puesto que se están trabajando superficies impermeables en esta sección no se involucra el almacenamiento en depresión permeable. 

PORCENTAJE DEL ÁREA IMPERMEABLE SIN ALMACENAMIENTO EN DEPRESIÓN

La totalidad de los techos convencionales carecen de almacenamiento en depresión, por tal motivo, este parámetro se introduce al programa SWMM con un valor del ciento por ciento. 

FLUJO ENTRE SUBÁREAS

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El presente parámetro representa la selección del modelo interno de transporte de la escorrentía entre las áreas permeable e impermeable. Dado que los modelos presentan superficies independientes permeables e impermeables, es decir, las superficies no se combinan, la opción escogida es outlet, puesto que ambas áreas aportan directamente a la descarga sin que el flujo pase de una superficie permeable a una impermeable o viceversa. 

PORCENTAJE DE ESCORRENTIA TRANSPORTADA

Ya que las subcuencas son independientes en cuanto al punto de descarga correspondiente, estas no transportan escorrentía entre sí, por ello el porcentaje de escorrentía transportada entre subáreas es del 0%. 

INFILTRACIÓN

Para la infiltración se define el modelo Green_Amp, cuyos parámetros son: la altura de succión, la conductividad y el déficit inicial, como el área que se está trabajando es un techo convencional, y la infiltración es una propiedad de los techos verdes, este tema se explicará más adelante. En cuanto a las aguas subterráneas no se realizaron cambios, puesto que es un ítem que no se tiene en cuenta para la presente investigación, al igual que la capa de nieve, los usos del suelo, la acumulación inicial, y la longitud del cauce. 

TECHOS VERDES

Para estos datos, tanto el pluviómetro como la descarga, el área, el ancho, la pendiente, el flujo entre subáreas y el porcentaje de escorrentía transportada entre subáreas se consideran iguales que las introducidas para el techo convencional 

ÁREA IMPERMEABLE

El área impermeable, al tratarse de techos verdes es del 0%, dado que al poseer un sustrato las aguas lluvias se infiltran en la cubierta. 

COEFICIENTE n (IMPERMEABLE)

El valor del coeficiente n de Manning para la zona impermeable es cero, ya que el techo presenta un sustrato. 

COEFICIENTE n (PERMEABLE)

Se debe agregar el coeficiente n de Manning para la zona permeable, el cual se considera como 0,24 por la capa vegetal densa que posee el techo verde, expresado en la Tabla 8. n de Manning.

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Tabla 8. n de Manning

Fuente: (Agencia de Protección Ambiental, 2005) La figura 20 muestra la un ejemplo de una densa población de plantas sedum, las cuales fueron utilizadas en la capa vegetal del prototipo de techo verde. Figura 21. Plantación densa de sedum

Fuente: (Consulta plantas, 2016) 

ALMACENAMIENTO EN DEPRESIÓN

El almacenamiento en depresión del área permeable se considera de 5 mm (ver tabla 7), correspondiente a pastos y prados según el manual de manejo SWMM.

87



ALMACENAMIENTO EN DEPRESIÓN PERMEABLE

El porcentaje de área impermeable que no presenta almacenamiento en depresión es cero, puesto que no se presentan áreas permeables en una cubierta verde. 

PORCENTAJE DEL ÁREA IMPERMEABLE SIN ALMACENAMIENTO EN DEPRESIÓN

Al tratarse de un techo verde, el área impermeable corresponde a la totalidad de la cubierta, por ende, el porcentaje de área impermeable sin almacenamiento es del 0%, dado que estos tejados no presentan zonas impermeables. 

INFILTRACIÓN

Para la infiltración se define el modelo Green_Amp, cuyos parámetros son: la altura de succión, la conductividad y el déficit inicial. La textura del techo verde se considera como una composición de arena y arena margosa, por lo cual se realiza un promedio en cada uno de los valores de la tabla 9 a ingresar en el programa. La siguiente tabla, establece los valores de K (conductividad hidráulica saturada), Ψ (altura de succión), Φ (porosidad), FC (capacidad del campo), y WP (punto de marchitamiento). Tabla 9. Características del suelo

Fuente: (Agencia de Protección Ambiental, 2005) La altura de succión se obtiene mediante la implementación de la ecuación 1.

88

Para la conductividad del sustrato se ejecuta el mismo procedimiento que con la altura de succión. Se realiza un promedio de los valores dados en la Tabla 9. Características del suelo, y se compara con el resultado obtenido de los ensayos de laboratorio de la impermeabilidad del sustrato.

Los resultados de los ensayos del laboratorio obtenidos para el sustrato de techo verde fueron de: ( La magnitud de

)(

)(

)

, se explica en el capítulo 9.

Se decide optar por un valor de

, ya que los resultados son similares.

De esta manera la altura de succión y la conductividad son valores dados en la tabla anterior. En cuanto al déficit inicial, es la diferencia entre la porosidad del suelo y la humedad inicial (punto de marchitamiento).

En la tabla 10 se consignan los valores obtenidos para la infiltración en los techos verdes

89

Tabla 10. Parámetros de infiltración

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 8.1.3 DIBUJO DE LOS NUDOS (POZOS PLUVIALES DE INSPECCIÓN) Los nudos representan los pozos de inspección del alcantarillado pluvial de la zona afectada, y serán los mismos datos tanto para el modelo de techos convencionales como para el modelo de techos verdes. El tratamiento, el nivel inicial, la altura de sobrepresión y la altura de inundación son parámetros que no se tienen en cuenta para la modelación, dado que no son resultados de interés para la investigación. La tabla 11 muestra los parámetros que se deben ingresar en el programa SWMM para el modelo de la zona de inundación. Tabla 11. Datos requeridos por SWMM para un nudo

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

90

El nombre es una identificación que se desee asignarle al nudo, para el modelo que se realizó. Los nombres de los nudos corresponden al número en el orden que se dibujaron. Las coordenadas X y Y, representan la localización del plano de trabajo. La descripción es un comentario opcional de la subcuenca, al igual que la marca, la cual es una categoría o clasificación opcional del objeto que se dibuja. 

APORTES

Con el fin de simular la escorrentía proveniente de las calles y andenes se realiza un nuevo modelo mediante subcuencas que conducen la precipitación de la zona hasta la red de alcantarillado pluvial del lugar. En la Figura 22. Calles y andenes modelados en SWMM se muestra el trazado de las calles y andenes que generan aportes a los pozos de inspección de la red de alcantarillado pluvial, para este modelo se tuvo en cuenta la dirección de la escorrentía como se explica en la figura 22. Figura 22. Calles y andenes modelados en SWMM

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Dado que en los techos, la escorrentía se dirigía equitativamente hasta los pozos de inspección se implementó el método de áreas aferentes. Por el contrario en las calles y andenes, la escorrentía es conducida longitudinalmente desde una zona alta hasta una zona baja, por tal motivo se propone que el área comprendida entre dos pozos de inspección corresponda al área de aportes del pozo con la cota más baja entre los dos.

91

La Figura 23. Área de escorrentía para calles y andenes, presenta las áreas de escorrentía provenientes de las calles y los andenes, en donde se muestra que el pozo de inspección con cota 2000, corresponde al área achurada con líneas oblicuas. Puesto que la dirección del drenaje de la lluvia siempre se presenta longitudinalmente a la calle, una vez que la precipitación pase del pozo de inspección con cota 2001, pertenecerá al pozo con cota 2000. Figura 23. Área de escorrentía para calles y andenes

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 

COTA DEL FONDO

La cota de fondo es un valor que se debe incluir en el modelo, y representa la diferencia entre la cota del terreno natural y la distancia hasta la zona inferior de la tubería. La Figura 24. Cota del fondo y profundidad máxima, explica de manera gráfica tanto la cota de fondo como la profundidad máxima. Figura 24. Cota del fondo y profundidad máxima

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 

PROFUNDIDAD MÁXIMA

92

Es la diferencia entre la cota del terreno natural y la cota de fondo (Ver Figura 24. Cota del fondo y profundidad máxima). 8.1.4 DIBUJO DE LOS CONDUCTOS ALCANTARILLADO PLUVIAL)

(TUBERIAS

DEL

Las tuberías del alcantarillado pluvial al igual que los nudos se extrajeron del plano de la red de alcantarillado pluvial de la zona afectada, proporcionada por la EAAB en abril del 2014, en donde los parámetros que se deben reconocer inician con el nombre de la tubería. Con el fin de que el agua pluvial fluya por los conductos, la pendiente de las mismas debe ser negativa, por esto al dibujar una tubería, siempre se especifica el nudo inicial con una cota mayor que el nudo final. La descripción es un comentario o descripción opcional de la subcuenca, al igual que la marca, la cual es una categoría o clasificación opcional del objeto que se dibuja. 

FORMA

El alcantarillado pluvial de la zona estudiada contempla tuberías circulares y un tramo de box-coulverts cuadrados. La Figura 25. Editor de secciones transversales, indica los parámetros para ingresar secciones transversales a los conductos. Mediante la opción “forma geométrica”, se asigna la forma que se desea tener, y al lado derecho se modifican las características geométricas de la forma seleccionada, ya sea el diámetro para una tubería circular, o las distancias de los lados para un boxcoulvert. Figura 25. Editor de secciones transversales

93

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 

ALTURA (PROF. MAX)

La profundidad de la sección transversal corresponde al diámetro del tubo, el cual ya se define en la forma de la sección transversal. 

LONGITUD

La longitud de la tubería se expresa en metros, y se obtiene del plano del alcantarillado pluvial de la zona afectada. 

COEFICIENTE DE MANNING (n)

También se asigna el coeficiente n de Manning, dependiendo del material del ducto, el cual para el policlorúro de vinilo (PVC) es de 0,01, y de 0,015 para el recubrimiento en concreto de los box-coulverts. 8.1.5 LLUVIAS EN LA ZONA ESTUDIADA En esta investigación se presenta un análisis de la precipitación mediante las curvas IDF (intensidad-duración-frecuencia) del área afectada, con el fin de introducir estos valores al programa SWMM y examinar el comportamiento de los techos actuales, los techos convencionales y el alcantarillado pluvial, con diferentes periodos de retorno. A continuación se muestra la Tabla 12. Coeficientes ecuación IDF, en la cual se presentan las intensidades de lluvia en la zona afectada para periodos de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años, en función a la ecuación 6. Tabla 12. Coeficientes ecuación IDF I d

Punto (E,N) EPSG;3116

0

1004162,10 09267

Tiempo de retorno 3 años C1 Xo C2 3753, 25 41 ,6 1,0399 1 Tiempo de retorno 25 años C1 Xo C2 4734, 24, 04 2 1,0064 1

Tiempo de retorno 5 años C1 Xo C2 4084, 25, 65 6 1,0316 5 Tiempo de retorno 50 años C1 Xo C2 5416, 25, 40 3 1,0011 33

94

Tiempo de retorno 10 años C1 Xo C2 4299, 24,7 96 1,015 99 Tiempo de retorno 100 años C1 Xo C2 5735, 25,1 82 1,005 16

Fuente: (Departamento de hidrología aplicada de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, 2016) (

)

Para el modelo en el programa SWMM se implementan precipitaciones con una duración de 5 horas dadas las “condiciones tradicionales de Bogotá” (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009), cubriendo todos los posibles eventos de lluvia en la capital, y una intensidad para cada uno de los periodos de retorno (Ver Tabla 13. Intensidades para diferentes periodos de retorno). En la Tabla 13. Intensidades para diferentes periodos de retorno, se reemplaza la ecuación 6 para cada una de las horas de precipitación correspondientes a periodos de retorno determinados mediante análisis estadísticos. Comparando las horas de duración de precipitación vs los periodo de retorno. Tabla 13. Intensidades para diferentes periodos de retorno 1 hora 2 horas 3 horas 3 años 36,714 21,132 14,760 5 años 41,449 23,962 16,785 10 años 47,288 27,444 19,293 25 años 54,649 31,800 22,406 50 años 60,379 35,233 24,838 100 años 65,873 38,528 27,208 Nota: las intensidades están dadas en mm.

4 horas 11,310 12,888 14,858 17,289 19,165 21,022

5 horas 9,151 10,446 12,073 14,071 15,594 17,124

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Como se puede apreciar en la Tabla 13. Intensidades para diferentes periodos de retorno, la intensidad de precipitación aumenta en el futuro. Al día de hoy se presentan inundaciones en el área de estudio, en 100 años, la intensidad de la precipitación duplicará los valores actuales de lluvia, y se presentarán eventos que pueden afectar la población. 8.1.6 SERIE TEMPORAL Se ingresa una serie temporal en la que se puedan definir diferentes intensidades de lluvia dependiendo del periodo de retorno que se registre. Esta opción se encuentra en la zona izquierda de la plataforma y se adiciona mediante el signo positivo de color verde, en donde se modifica el nombre de la serie y se colocan las intensidades que se registran al largo de las horas que dure la precipitación.

95

El editor de series temporales permite ingresar un nombre característico de la serie asignado por el usuario, así como una descripción, que para el caso en estudio corresponde al periodo de retorno que se ingresa. Figura 26. Serie temporal

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Los valores ingresados en la Figura 26. Serie temporal, corresponden la intensidad de lluvia para un periodo de retorno de 100 años, con una duración de 5 horas y un intervalo de una hora. Tanto la duración (Ver Figura 27. Opciones de simulación “duración”) como el intervalo (ver figura 27) colocadas en la serie deben ser congruentes con las opciones de simulación, con el fin de que no se presenten errores en el análisis del modelo.

96

Figura 27. Opciones de simulación “duración”

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 28. Opciones de simulación “intervalo”

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

97

8.1.7 ASIGNACIÓN DEL PLUVIÓMETRO Se modifican las propiedades del pluviómetro ya dibujado en la plataforma, el formato de lluvia es “intensity”, dado que los datos que se ingresaron en la serie temporal fueron de intensidad. El intervalo de lluvia es de una hora, puesto que se colocaron datos desde la hora cero hasta la hora seis con este intervalo. En cuanto al origen de los datos, este debe ser “timeseries” ya que los datos los agrega el usuario, y por último el nombre se asignó en la serie temporal. También se debe disponer de un nombre para llamar el pluviómetro, en este caso se quiso llamar “LLUVIA1”. Se ingresa el pluviómetro en el cual se modelan varios eventos de tormenta con diferentes intensidades, con el fin de observar el comportamiento del alcantarillado pluvial, frente a los eventos de precipitación. “Los pluviómetros suministran los datos de entrada de las precipitaciones que ocurren sobre una o varias de las cuencas definidas en el área de estudio.” (Agencia de Protección Ambiental, 2005) Figura 29. Propiedades del pluviómetro

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Los diferentes eventos de precipitación se muestran en los resultados del modelo que se presenta a continuación.

98

8.2. RESULTADOS OBTENIDOS DEL MODELO 8.2.1 ANÁLISIS DE LAS ZONAS INUNDADAS La Figura 30. Zonas inundadas para un periodo de retorno de 3 años con techos convencionales, muestra las zonas que presentan niveles de inundación para un periodo de retorno de 3 años, después de transcurridas 3 horas de precipitación. Figura 30. Zonas inundadas para un periodo de retorno de 3 años con techos convencionales

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Con el fin de conocer las condiciones de inundación actuales y a futuro, se toman los nudos N-64, N-73, N-78 y N-90, los cuales fueron los pozos de inspección más críticos para un periodo de retorno de 3 años, y se comparan estos valores con los obtenidos en los periodos de retorno de 5, 10, 25, 50 y 100 años.

99

Gráfica 17. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 3 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 17. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 3 añosmuestra el comportamiento de las inundaciones en los cuatro nudos elegidos, contemplando un periodo de retorno de 3 años. Gráfica 18. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 5 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 18. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 5 años, muestra la magnitud de las inundaciones presentadas en los nudos. Como era de esperar, se evidencia un incremento en el caudal de inundación en todos los pozos de inspección.

100

Gráfica 19. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 10 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Para un periodo de retorno de 10 años, se presentan crecimientos considerables en todos los nudos, y en especial en el nudo 90, puesto que aumenta su caudal de inundación en 40 L/s, mientras que en los demás nudos se manejan deltas de inundación entre 5 y 10 L/s. Gráfica 20. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 25 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Los deltas de inundación en todos los nudos presentan una variación de 10 a 20 L/s respecto a los deltas obtenidos del periodo de retorno anterior.

101

Gráfica 21. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 50 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Gráfica 22. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 100 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Al analizar la Gráfica 21. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 50 años, y la Gráfica 22. Inundación con techo convencional para un periodo de retorno de 100 años, se evidencia un incremento del orden de 15 L/s aproximadamente para cada uno de los pozos de inspección. La Gráfica 23. Inundación con techo verde para un periodo de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años, muestra la atenuación total de la inundación en todos los pozos de inspección analizados para cada uno de los periodos de retorno sugeridos.

102

Gráfica 23. Inundación con techo verde para un periodo de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La presencia de techos verdes sobre las edificaciones de un sector que sufre de inundaciones por empozamiento de agua pluvial, resuelve en su totalidad dicho problema, dados los resultados obtenidos en las gráficas de inundación analizadas. Con el objetivo de estudiar el incremento en la inundación que presenta un pozo de inspección, se analiza el nudo 73 mediante los deltas obtenidos de la diferencia entre las inundaciones ocasionadas con una precipitación máxima y un periodo de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Tabla 14. Inundación del pozo de inspección No. 73 Nudo 73 con techos convencionales period o de inundació inundació inundació inundació inundació inundació retorn n (l/s) n (l/s) n (l/s) n (l/s) n (l/s) n (l/s) o tiempo 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años (min) 15 0 0 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 45 0 0 0 0 0 0 60 0 0 0 0 0 0 75 89,13 102,79 119,62 140,82 157,32 173,13 90 89,47 103,08 119,86 141,02 157,48 173,27 105 89,47 103,08 119,86 141,02 157,48 173,28 120 89,47 103,08 119,86 141,01 157,48 173,27 103

135 44,83 52,95 62,94 75,44 85,3 94,76 period o de inundació inundació inundació inundació inundació inundació retorn n (L/s) n (L/s) n (L/s) n (L/s) n (L/s) n (L/s) o tiempo 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años (min) 150 44,69 52,82 62,83 75,35 85,22 94,69 180 44,69 52,82 62,83 75,35 85,22 94,69 195 26,5 32,31 39,5 48,44 55,42 62,23 210 26,38 32,2 39,4 48,35 55,34 62,15 225 26,37 32,19 39,4 48,35 55,34 62,15 240 26,37 32,19 39,4 48,35 55,34 62,15 255 16,56 21,09 26,74 33,72 39,11 44,44 270 16,46 20,99 26,66 33,64 39,04 44,37 285 16,46 20,99 26,66 33,64 39,03 44,37 300 16,46 20,99 26,66 33,64 39,03 44,37 Fuente: Oscar Contreras Bejarano Gráfica 24. inundación con diferentes periodos de retorno

inundación con diferentes periodos de retorno 200 180

Inundación (L/s)

160 140

3 años

120

5 años

100

10 años

80

25 años

60

50 años

40

100 años

20 0 0

50

100

150

200

250

300

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

104

350

La Gráfica 24. inundación con diferentes periodos de retorno, presenta el comportamiento de la inundación en el tiempo con diferentes periodos de retorno, se evidencia el incremento del problema con forme aumenta el periodo de retorno. Tabla 15. Deltas de inundación en techos convencionales tiempo (min) 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300

Diferencia entre caudales de inundación 10-25 25-50 3-5 años 5-10 años años años 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13,66 16,83 21,2 16,5 13,61 16,78 21,16 16,46 13,61 16,78 21,16 16,46 13,61 16,78 21,15 16,47 8,12 9,99 12,5 9,86 8,13 10,01 12,52 9,87 8,13 10,01 12,52 9,88 8,13 10,01 12,52 9,87 5,81 7,19 8,94 6,98 5,82 7,2 8,95 6,99 5,82 7,21 8,95 6,99 5,82 7,21 8,95 6,99 4,53 5,65 6,98 5,39 4,53 5,67 6,98 5,4 4,53 5,67 6,98 5,39 4,53 5,67 6,98 5,39

50-100 años 0 0 0 0 15,81 15,79 15,8 15,79 9,46 9,47 9,46 9,47 6,81 6,81 6,81 6,81 5,33 5,33 5,34 5,34

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Tabla 15. Deltas de inundación en techos convencionales, muestra el incremento en la magnitud de los eventos de inundación en el pozo de inspección 73 del sistema analizado, se evidencia un incremento de la inundación hasta el periodo de retorno correspondiente a 25 años, posteriormente el incremento comienza a atenuarse para los periodos de retorno a 50 y 100 años.

105

Gráfica 25. Delta de inundación

delta de inundación 25

delta (L/s)

20 15 10 5 0 3-5 años

5-10 años

10-25 años

25-50 años

50-100 años

periodos de retorno

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Gráfica 26. Variación del delta en el tiempo

Variación del delta en el tiempo 25

delta (L/s)

20

3-5 años

15

5-10 años 10

10-25 años 25-50 años

5

50-100 años

0 0

50

100

150

200

250

300

350

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Figura 31. Sistema de inundación de cinco pozos, muestra cinco pozos de inspección (N-90 color rojo, N-92 color amarillo, N-95 color azul, N-94 color verde, N-93 color café). Este modelo se realiza con el fin de sustituir los techos convencionales que aportan precipitacion a un nudo por techos verdes, y analizar

106

el comportamiento de la inundación, con zonas de infiltración aguas arriba del nudo 90, puesto que es el pozo que presenta inundación. Figura 31. Sistema de inundación de cinco pozos

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Tabla 16. Inundación con techos verdes aguas arriba N-90 techo convencional tiempo (min) 75 90 105 120

inundación (L/s) 22,73 29,05 29,18 29,18

N-90 techo N-92 techo N-95 techo N-94 techo N-93 techo verde verde verde verde verde inundación (L/s) 0,02 5,87 6 6

inundación (L/s) 0,72 7,03 7,16 7,17

inundación (L/s) 0 0 0 0

inundación (L/s) 0 0 0 0

inundación (L/s) 0 0 0 0

La Tabla 16. Inundación con techos verdes aguas arriba, presenta los valores de las inundaciones en el nudo 90 cuando se sustituyen de manera individual los techos convencionales por techos verdes. Cuando se implementan techos verdes sobre la zona afectada se reduce la inundación significativamente. Según los resultados obtenidos la mejor manera de evitar problemas de inundación por empozamiento de agua pluvial, es mediante la instalación de techos verdes aguas arriba del nudo que presenta inundación. Para el ejemplo que se está describiendo, el problema se vio resuelto con la

107

implementación de cubiertas verdes a una o dos cuadras del pozo de inspección que presentaba niveles de inundación. 8.2.2 ANÁLISIS DE LA ESCORRENTÍA GENERADA POR LOS TECHOS A continuacion se presentan la Figura 32. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos verdes, y la Figura 33. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos convencionales, que representan la variación de la escorrentía generada en los techos, la inundación en los nudos, y el caudal de los ductos del alcantarillado pluvial. El color rojo significa valores altos en escorrentia, mientras que el color azul, significa que el agua pluvial se infiltra en la cubierta dejando de generar escorrentia. En cuanto a los nudos, un color rojo significa que existe presencia de inundación, por el contrario, un color azul implica que se esta manejando un caudal controlado. El modelo muestra que los techos verdes despues de una exposicion a la precipitacion de 3 horas y 15 minutos no presenentan escorrentia, inundaciones, y los ductos se encuentran en un proceso de descarga controlada; mientras que los techos convencionles, después de este tiempo aun generan escorrentia, se manifiestan zonas de inundación, y algunos ductos se encuentran trabajando a capacidad maxima. Se demuestra la eficiencia de esta tecnologia, no solo para controlar problemas de inundacion, sino también para aumentar la calidad ambiental y el desarrollo sostenible de la ciudad. Figura 32. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos verdes

a. Modelos después de 2 horas y 30 minutos

b.

Modelo después de 3 horas y 15 minutos

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

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Figura 33. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos convencionales

a. Modelos después de 2 horas y 30 minutos

b.

Modelo después de 3 horas y 15 minutos

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La comparación que se realiza en las Figura 32. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos verdes, y Figura 33. Variación de la escorrentía, el nivel de inundación y el caudal de los techos convencionales, corresponde a un periodo de retorno de 3 años, por lo que al analizar el modelo, con periodos de retorno mayor, la precipitación aumenta la escorrentía en los techos convencionales, generando inundaciones. 8.2.3 ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD DE TRABAJO DE LAS TUBERÍAS A continuación se muestran un tramo del alcantarillado de la zona afectada, en donde se presenta el perfil de la lámina de agua tanto para techos convencionales como para techos verdes, así como las tablas de capacidad de trabajo de los ductos.

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Figura 34. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 3 años con techos convencionales

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 35. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 3 años con techos verdes

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Se puede apreciar gráficamente la diferencia entre el nivel de la lámina de agua en el que con techos convencionales, se presentan 2 ductos trabajando en condiciones saturadas, por el contrario, con los techos verdes los ductos trabajan en a una capacidad mínima. Entre las 2h: 00min y 3h: 00min de iniciada la precipitación se presentan los valores máximos de capacidad de trabajo de las tuberías. En el conducto L-47 a 1h: 15min de comenzada la precipitación la tubería trabaja al 100% de su capacidad con techos convencionales, por otro lado, con los techos verdes la capacidad de trabajo de la misma tubería se reduce al 27%, siendo el valor máximo de capacidad del tramo.

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Figura 36. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos convencionales

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 37. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos verdes

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Figura 36. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos convencionales, y la Figura 37. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 10 años con techos verdes, muestran el contraste en cuanto a capacidad de trabajo de las tuberías en función a los techos verdes y los techos convencionales. De igual manera para un periodo de retorno de 10 años, la precipitación aumenta, al igual que la capacidad de trabajo de las tuberías. Lo que se quiere demostrar es la diferencia de capacidades de los conductos cuando se implementan techos verdes, la cual va a ser muy inferior que la capacidad de trabajo con los techos convencionales.

111

Figura 38. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 50 años con techos convencionales

Fuente: Oscar Contreras Bejarano A medida que pasa el tiempo las lluvias tendrán una intensidad mayor, por lo que se debe implementar un plan de contingencia lo antes posible, de lo contrario, los ductos del alcantarillado pluvial tendrán el comportamiento expresado de la Figura 38. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 50 años con techos convencionales. Figura 39. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 50 años con techos verdes

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Se evidencia que con los techos convencionales, los ductos trabajan a tubo lleno durante más tiempo, por lo que las inundaciones se prolongarán, y en cuanto a la capacidad de las tuberías con techos verdes se muestra un pico del 35%, que corresponde a menos de la mitad de la capacidad de trabajo del ducto.

112

Figura 40. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 100 años con techos convencionales

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 41. Tramo del alcantarillado pluvial para un periodo de retorno de 100 años con techos verdes

Fuente: Oscar Contreras Bejarano En 100 años las tuberías tanto con techos convencionales como con techos verdes se ven a incrementar, aunque se debe tener presente que las cubiertas verdes, aparte de mejorar la calidad ambiental, elimina las inundaciones que se presentan con los techos convencionales. Por último, con un periodo de retorno de 100 años, la capacidad de trabajo tanto con los techos convencionales como con los techos verdes no aumenta considerablemente respecto al periodo de retorno de 50 años, contemplando aumentos de máximo 3% en la capacidad de trabajo. Con respecto al periodo de retorno de 3 años, el aumento con los techos convencionales llega a ser del 10% en promedio, por el contrario al implementar los techos verdes llega a ser del 7% en promedio. Puesto que los ductos presentan un comportamiento inalterado con los techos verdes, estos representan 113

una solución al problema de inundación que se presenta en varios lugares del mundo.

114

9. CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE Para la construcción del prototipo se desarrollan pruebas de laboratorio, con el fin de determinar la proporción de sustrato y arcilla necesaria para una eficiente permeabilidad. 9.1. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL SUSTRATO El objetivo del techo verde es la retención de agua pluvial, mediante la composición del sustrato y la capacidad permeable que posea, por esta razón se realizan los ensayos de laboratorios con el permeámetro de cabeza variable, con el fin de determinar una composición efectiva para el sustrato de la cubierta verde. Las muestras del sustrato contemplan la mezcla de tierra de jardín y arcilla, esta última para garantizar que el proceso de infiltración del agua lluvia a través del techo verde sea lento, dadas las características impermeables de la arcilla. Por consiguiente en los laboratorios se analizan muestras con diferentes porcentajes de arcilla, con el fin de establecer el coeficiente de impermeabilidad óptimo para evitar la saturación de la cubierta verde y asegurar una transición lenta por el techo. Para los ensayos a realizar, se implementa la prueba de permeabilidad de cabeza variable, en la que mediante un permeámetro, se determinan los diferentes coeficientes de permeabilidad de las muestras ensayadas. La práctica consiste en medir la cantidad de agua que traspasa la muestra, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. Para la obtención del coeficiente de permeabilidad se implementa la ecuación 3. Figura 42. Materiales para los ensayos

115

Fuente: Oscar Contreras Bejarano En la Figura 42. Materiales para los ensayos. Se presentan los instrumentos para conformar la mezcla del sustrato del techo verde. Se requiere de un permeámetro desarmable, en el cual se coloca la muestra después de tener el porcentaje de arcilla correspondiente, mezclado en los recipientes del laboratorio. Figura 43. Permeámetro con cabeza variable

Fuente: Oscar Contreras Bejarano A continuación se describe el proceso de obtención de la muestra. Inicialmente se toma una muestra del material del sustrato, se coloca y compacta en el cilindro del permeámetro, con el fin de hallar el peso total de dicha muestra mediante una balanza. El peso total de la tierra de jardín fue de 1002,78 g, del cual se procede a calcular la proporción del peso al 10%, 20%, 30% y 40% de arcilla que se mezcla con la tierra de jardín. Puesto que la tierra de jardín y la arcilla poseen una densidad de y , respectivamente, se debe realizar la conversión pertinente, para facilidad de cálculos. 116

Tabla 17. Obtención de las proporciones de los materiales Porcentaje del peso de tierra a sustituir por arcilla (%) 10 20 30 40

Peso en tierra de jardín (g)

Factor de conversión

Peso en arcilla (g)

100,278 200,556 300,834 401,112

0,83 0,83 0,83 0,83

83,23 166,46 249,69 332,92

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Tabla 17. Obtención de las proporciones de los materiales. Presenta los valores del porcentaje del peso de tierra a sustituir por arcilla, los cuales fueron datos experimentales, con el objetivo de que el material sea moderadamente permeable, es decir que se encuentre entre el rango de “ ” Según la Tabla 18. Coeficientes relativos de permeabilidad. Se escoge la condición moderadamente permeable, ya que se busca que el sustrato posea la capacidad de retener durante un tiempo las aguas lluvias, y al mismo tiempo servir como medio de crecimiento de la capa vegetal. Tabla 18. Coeficientes relativos de permeabilidad Permeabilidad relativa Muy permeable Moderadamente permeable Poco permeable Muy poco permeable impermeable

Valores de k (cm/s) Mayor que

Menor a

Suelos típicos Grava gruesa Arena, arena fina Arena limosa, arena Limo, arenisca fina Arcilla

Fuente: (Pontificia Universidad Católica de Valparaiso) La Tabla 17. Obtención de las proporciones de los materiales, muestran los valores correspondientes al 10%, 20%, 30% y 40% del peso de la tierra de jardín, dichos valores se deben convertir en peso de arcilla, para luego sustituir los pesos de arcilla obtenidos, de tal manera que se debe multiplicar por un factor de conversión, el cual consiste en la relación de las densidades de los dos materiales (Ver ecuación 7).

117

Como resultado se obtienen en la última columna los valores en peso de arcilla que se debe sustituir en la muestra total de tierra de jardín. Con respecto a la toma de información del permeámetro de cabeza variable, se toma el tiempo que tarda el agua en descender por la manguera cada 20 cm, para posteriormente aplicar la ecuación 8. (

)

En donde:

Las longitudes y áreas propias del permeámetro de cabeza variable se consignan en la Tabla 19. Medidas del permeámetro de cabeza variable del laboratorio de suelos de la Universidad Católica de Colombia. Tabla 19. Medidas del permeámetro de cabeza variable del laboratorio de suelos de la Universidad Católica de Colombia a( A( L(

0,38 81,07 11,6

) ) )

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Como se puede apreciar en la Figura 44. Permeámetro de cabeza variable, se explican gráficamente los valores que componen la ecuación 8. El sustrato del techo verde se ensaya en el permeámetro de cabeza variable con las condiciones anteriormente mencionadas. Se procede a realizar los experimentos de las muestras con sus respectivos porcentajes de arcilla, en donde se recolectan los tiempos de descenso del líquido por la bureta como se muestra en la Tabla 20. Muestra con el 10%, 20%, 30% y 40% de arcilla, en donde se presenta en la primera columna la altura a la cual se tomaron los tiempos de descenso de agua con los respectivos porcentajes de arcilla.

118

Figura 44. Permeámetro de cabeza variable

Fuente: (Alfaro & Mora, 2014) Tabla 20. Muestra con el 10%, 20%, 30% y 40% de arcilla Altura cada 20 cm

146 126 106 86 66 46

Tiempo acumulado para el 10% de arcilla (s) 0 1,58 4,5 9,25 14,02 21,5

Tiempo acumulado para el 20% de arcilla (s) 0 2,49 5,13 12,56 24,76 47,23

Tiempo acumulado para el 30% de arcilla (s) 0 9,76 21,67 35,45 82,82 170,38

Tiempo acumulado para el 40% de arcilla (s) 0 120,53 420,59 900,02 1500,03 2460,35

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Tabla 21. Coeficientes de permeabilidad para diferentes porcentajes de tierra arcillosa en la mezcla, muestra los coeficientes de permeabilidad obtenidos de los ensayos realizados con el permeámetro de cabeza variable.

119

Tabla 21. Coeficientes de permeabilidad para diferentes porcentajes de tierra arcillosa en la mezcla Porcentaje (%) 10 20 30 40

Coeficiente de permeabilidad K (cm/s)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Los resultados de la anterior tabla, corresponden al ensayo de permeabilidad de la muestra con diferentes porcentajes de arcilla. La curva azul de la Gráfica 27. Descarga hidráulica en función del porcentaje de arcilla. Corresponde al comportamiento de descarga de la muestra con el 10% de arcilla, con lo que se demuestra que en un tiempo mucho menor que la curva roja (20% de arcilla) o la curva verde (30% de arcilla), drenará el agua pluvial disminuyendo la probabilidad de saturación del techo verde. Gráfica 27. Descarga hidráulica en función del porcentaje de arcilla

Permeámetro de cabeza variable altura de la bureta (cm)

160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

tiempo de descarga (s)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Se escoge el 10% de arcilla para implementar en el sustrato, dado que se acerca a la clasificación moderadamente permeable, y presenta el menor tiempo de descarga, lo cual implica una menor probabilidad de saturación del techo verde. Sin embargo se deben realizar los ensayos pertinentes al prototipo de la cubierta para observar y analizar su comportamiento frente a una precipitación controlada.

120

9.2. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE TECHO VERDE La construcción del prototipo se divide en dos etapas: La primera es la construcción de la estructura, la cual sirve de soporte para las capas del techo verde. Esta consiste en el ensamblaje de las piezas de madera como se observan en la Figura 44. Permeámetro de cabeza variable. La zona superior de la estructura permite sostener un rociador, encargado de simular la precipitación característica de la zona en estudio. En la segunda etapa se construye un cajón de acrílico, con el fin de observar las capas alternativas de la cubierta. En la Figura 45. Estructura y cajón del prototipo de techo verde, muestra la estructura del prototipo de techo verde con el cajón de acrílico y la matriz de agujeros de 4x4, en los cuales sobresalen tubos de 30 cm de largo, los cuales conducen el agua hasta recipientes en donde se mide el caudal de salida de las capas del techo. Figura 45. Estructura y cajón del prototipo de techo verde

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

121

Figura 46. Conductores de cauldal

Fuente: Oscar Contreras Bejarano En cuanto al rociador, este consta de una manguera con un adaptador a la llave de suministro de agua potable, una válvula de bola con un indicador de intensidad de lluvia y un rociador al final de la manguera, mediante el cual se simula la precipitación en el prototipo como se muestra en la figura 45. Figura 47. Rociador

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

122

Puesto que se realiza la simulación de la precipitación en el prototipo, a continuación se muestra la calibración de la válvula para diferentes intensidades de lluvia obtenidas de las curvas IDF del Instituto de Hidrología Aplicada de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá del año 2016. El proceso que se realiza para calibrar la manguera consiste en regular la válvula con una abertura inicial, en donde se mide mediante un pluviómetro la cantidad de agua recolectada y el tiempo en el cual se acumuló dicho caudal. Esta metodología se realiza hasta obtener la cantidad de agua recolectada en el pluviómetro en el tiempo deseado. La intensidad de lluvia en la zona norte de la localidad de Chapinero tiende a ser crítica a las “tres horas y media” (Departamento de hidrología aplicada de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, 2016) a partir de iniciado el evento de precipitación, posteriormente dicha intensidad se atenúa paulatinamente. La precipitación crítica con un periodo de retorno de 3 años es de “12,811 ” (Departamento de hidrología aplicada de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, 2016) , a continuación se realiza la conversión de , dado que el pluviómetro posee dicha unidad de medición.

a

1 mm de precipitación representa 1 mm de altura de lámina de agua en un metro cuadrado de área. Se realiza la conversión de a y posteriormente a La figura 46, explica la relación entre 1 mm de precipitación y el volumen correspondiente. Figura 48. Intensidad de precipitación

Fuente: Oscar Contreras Bejarano El volumen de corresponde a

de precipitación es de , entonces

123

, y dado que

De tal manera que: (

) (

) (

)

Tabla 22. Intensidad de lluvia con un periodo de retorno de 3 años Periodo de retorno de 3 años C1 3753,41 Xo 25,6 C2 -1,03991 hora min intensidad mm/h 0:15 15 79,745 0:30 30 57,505 0:45 45 44,858 1:00 60 36,714 1:15 75 31,039 1:30 90 26,862 1:45 105 23,661 2:00 120 21,132 2:15 135 19,083 2:30 150 17,391 2:45 165 15,970 3:00 180 14,760 3:15 195 13,718 3:30 210 12,811 3:45 225 12,014 4:00 240 11,310 4:15 255 10,682 4:30 270 10,118 4:45 285 9,611 5:00 300 9,151 5:15 315 8,732 5:30 330 8,349 5:45 345 7,998 6:00 360 7,675 Fuente: (Departamento de hidrología aplicada de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, 2016)

124

La Figura 49. Pluviometro de calibración, muestra un pluviómetro con 213 ml recolectados en un minuto, que corresponden a la precipitación que presenta la zona norte de la localidad de Chapinero a las 3 horas y media de iniciado el evento de inundación, con un periodo de retorno de 3 años. Figura 49. Pluviometro de calibración

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Posteriormente se introduce la primera capa del techo verde, compuesta por segmentos de esponja vegetal de Luffa, como se muestra en la Figura 50. Esponja vegetal de Luffa. La esponja vegetal de Luffa, se extrae en forma cilíndrica de la planta, para su adecuación al prototipo de techo verde se corta a través del núcleo, puesto que este presenta una estructura porosa y resistente como se aprecia en la Figura 49. Pluviometro de calibración. El objetivo de esta capa es servir de filtro de drenaje, dado que posee una estructura que puede sostener las capas superiores del techo verde.

125

Figura 50. Esponja vegetal de Luffa

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 51. Capa del filtro - drenaje

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La capa del sustrato del techo verde está conformada por tierra de jardín y arcilla en un porcentaje del 10%. A continuación, se explica el proceso de elaboración del sustrato del prototipo de techo verde.

126

Mediante una balanza se pesa el sustrato sin incluir la arcilla, la Tabla 23. Masa del sustrato, consigna la información obtenida. Figura 52. Medidor del sustrato

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Tabla 23. Masa del sustrato

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5 Muestra 6 Muestra 7

Masa del sustrato Masa con Masa sin recipiente (kg) recipiente (kg) 2,472 2,29 2,51 2,328 2,322 2,14 2,178 1,996 2,11 1,928 2,298 2,116 2,263 2,081 Total 14,879

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Corresponde al peso total del sustrato de techo verde (Ver Figura 52. Medidor del sustrato), al hallar el 10% de dicho valor, se multiplica por , obtenido a partir de la relación entre los pesos específicos de la arcilla y la tierra de jardín.

127

Figura 53. Capa de sustrato

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

, corresponde al peso en arcilla que se debe mezclar con la tierra de jardín (Ver Figura 53. Capa de sustrato). Figura 54. Masa de arcilla

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

128

Posteriormente se procede a mezclar la tierra de jardín con la arcilla de manera manual, la metodología implementada consistió en extraer un segmento de arcilla y mezclarla en lugares aleatorios de la capa de sustrato del techo verde, como se muestra en la Figura 54. Masa de arcilla. Figura 55. Mezcla de la tierra de jardín y la arcilla

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Continuando con el proceso se trasplantan las plantas sedum al sustrato del prototipo, no sin antes realizar el mismo procedimiento para el porcentaje de arcilla, dado que las plantas generan un aporte en tierra de jardín. La Figura 56. Capa vegetal, muestra la capa vegetal del prototipo. Figura 56. Capa vegetal

Fuente: Oscar Contreras Bejarano 129

9.3. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL PROTOTIPO DE TECHO VERDE Los ensayos consisten en la simulación de diferentes intensidades de lluvia con base en las curvas IDF del área afectada. Se toman registros de intensidad de entrada, intensidad de salida, retención de agua en el sustrato, e inundación en caso de darse, en intervalos de quince y cinco minutos. El objetivo de las pruebas realizadas al prototipo es determinar la eficiencia de los mismos para filtrar las aguas lluvias en una situación crítica. Se somete el prototipo de techo verde a una precipitación de 60 min, en la que se registran datos experimentales de intensidad de entrada, intensidad de salida e inundación. El ensayo inicial consiste en la simulación de una precipitación de , tomado a modo experimental durante 15 min según se muestra en la Tabla 24. Ensayo inicial. Posteriormente se mide la intensidad de salida mediante el pluviómetro utilizado para la medición de la de la precipitación de la zona de afectación. Dicho ensayo se realizó el día lunes 12 de septiembre de 2016 en horas de la tarde. Figura 57. Proceso de simulación

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Al iniciar el ensayo el prototipo se somete a cierta intensidad de lluvia, pasados 15 min, se mide la intensidad de salida como se muestra en la tabla 24. Dado que el sustrato después de 30 min de precipitación presentaba inundaciones de 15 mm 130

en la totalidad del sustrato, se detiene el ensayo para garantizar la integridad de las plantas. Tabla 24. Ensayo inicial

T(min)

intensidad de entrada (mm/h)

intensidad de entrada (mm/min)

intensidad de entrada (ml/min)

15,00 30,00 45,00 60,00 75,00 90,00

79,75 57,50 0,00 0,00 0,00 0,00

1,33 0,96 0,00 0,00 0,00 0,00

1329,08 958,42 0,00 0,00 0,00 0,00

intensidad de salida (ml/min) 482,00 1080,00 973,33 16,67 6,67 3,47

intensidad de salida acumulado (ml/min) 482,00 1562,00 2535,33 2552,00 2558,67 2562,13

intensidad de entrada acumulado (ml/min) 1329,08 2287,50 0,00 0,00 0,00 0,00

retención inundación (ml/min) (mm) 847,08 725,50 247,83 231,17 224,50 221,03

10,00 15,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La figura 56 y 57 muestran las inundaciones que se presentaron en el primer ensayo del prototipo de techo verde a la media hora de iniciada la precipitación.

131

Figura 58. Inundación del sustrato

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Figura 59. Nivel de inundación

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

132

Gráfica 28. relación intensidad vs tiempo

Volumenes de entrada y salida Intensidad (ml/min)

3000,00 2500,00 2000,00 1500,00 1000,00 500,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 28. relación intensidad vs tiemporelaciona la intensidad de entrada de la precipitación acumulada (línea azul), y la intensidad de salida acumulada (línea roja), con la duración de la precipitación del primer ensayo. La gráfica refleja el comportamiento de la lluvia cada 15 minutos. Al iniciar la precipitación, se evidencia una descarga lineal, después de media hora se detiene la simulación de lluvia, y el sustrato drena la precipitación que posee en sus capas, por tal motivo la línea de intensidad de salida, después de cerrar el suministro de agua se atenúa paulatinamente.

133

Gráfica 29. Inundación en el sustrato

Inundación 16,00

Inundacion (mm)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 15,00

30,00

45,00

60,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 29. Inundación en el sustratomuestra el ascenso de la inundación en los primeros 30 minutos, dado que se cancela el suministro de agua, la inundación desciende a cero para el minuto 45. Se evidencia que la capa vegetal conserva el color verde característico de las plantas sedum. El sustrato presentó inundaciones en varias zonas, sin embargo drenó rápidamente la inundación una vez que se retira el caudal de entrada. Gráfica 30. Retención en el sustrato

Retención 900,00

Retención (ml/min)

800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

Tiempo (min)

134

80,00

100,00

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 30. Retención en el sustrato explica la retención en la capa del sustrato del techo verde, el primer tramo la gráfica desciende a causa del flujo continuo de los caudales de entrada y salida, al cerrar el suministro de agua la retención incrementa, dada la carencia de una caudal de entrada. La capa filtro-drenaje, impidió eficientemente el paso del sustrato a los ductos de descarga, la Figura 60. Tubidez del agua al pasar las capas del techo verdemuestra la turbidez del agua después de pasar por las capas del techo verde. Figura 60. Tubidez del agua al pasar las capas del techo verde

Fuente: Oscar Contreras Bejarano El agua con el que se realizó el ensayo 1 se extrae del grifo, y dado que la presión del agua varía dependiendo de la hora del día en la que se encuentre, a causa del consumo de Bogotá a ciertas horas, se decide calibrar la válvula del simulador de precipitación para los ensayos restantes. Los techos verdes se encuentran sometidos a cambios climáticos bruscos. La precipitación es un fenómeno del cual no se puede predecir con certeza su intensidad, por ello se realizan simulaciones con diferentes caudales característicos de la ciudad de Bogotá, con base a resultados históricos de

135

precipitación mensual publicados por la Secretaria Distrital de Ambiente de Bogotá. Gráfica 31. Precipitación mensual

Fuente: (Observatorio Ambiental de Bogotá, 2009) La Gráfica 31. Precipitación mensual, presenta la historia de precipitación a partir del año 2009 en la ciudad de Bogotá. Se decide optar arbitrariamente por una precipitación constante de 37 , una de las más bajas de la ciudad de Bogotá. A continuación se muestran los resultados del ensayo dos, llevado a cabo el día viernes 17 de septiembre de 2016 en horas de la tarde. Se consideró tomar registro de la intensidad de salida cada 5 minutos, puesto que en el ensayo 1 se presentaron dificultades con la medición de la magnitud de la intensidad de salida. La Tabla 25. Ensayo 2, presenta los resultados obtenidos en el ensayo. Tabla 25. Ensayo 2

T(min)

Intensidad de entrada (mm/h)

Intensidad de entrada (mm/min)

Intensidad de entrada (ml/min)

5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

37,00 37,00 37,00 37,00 37,00

0,62 0,62 0,62 0,62 0,62

616,67 616,67 616,67 616,67 616,67

136

Intensidad de entrada acumulado (ml/min) 616,67 1233,33 1850,00 2466,67 3083,33

30,00 35,00

37,00 37,00

0,62 0,62

616,67 616,67

T(min)

Intensidad de entrada (mm/h)

Intensidad de entrada (mm/min)

Intensidad de entrada (ml/min)

40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00

37,00 37,00 37,00 37,00 37,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

616,67 616,67 616,67 616,67 616,67 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

intensidad de salida (ml/min) 66,00 520,00 590,00 560,00 580,00 580,00 580,00 570,00 568,00 560,00 552,00 558,00

intensidad de salida acumulado (ml/min) 66,00 586,00 1176,00 1736,00 2316,00 2896,00 3476,00 4046,00 4614,00 5174,00 5726,00 6284,00

137

3700,00 4316,67 Intensidad de entrada acumulado (ml/min) 4933,33 5550,00 6166,67 6783,33 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00 7400,00

retención inundación (ml/min) (mm) 550,67 647,33 674,00 730,67 767,33 804,00 840,67 887,33 936,00 992,67 1057,33 1116,00

0,00 0,00 8,00 9,00 9,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 15,00 14,00

540,00 190,00 intensidad de salida (ml/min) 46,00 24,00 12,40 10,40 8,40 6,00 5,60 4,80 4,00 3,60

6824,00 7014,00 intensidad de salida acumulado (ml/min) 7060,00 7084,00 7096,40 7106,80 7115,20 7121,20 7126,80 7131,60 7135,60 7139,20

576,00 386,00

0,00 0,00

retención inundación (ml/min) (mm) 340,00 316,00 303,60 293,20 284,80 278,80 273,20 268,40 264,40 260,80

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Fuente: Oscar Contreras Bejarano Se suministró una intensidad de lluvia durante una hora, en donde se registraron las intensidades de salida y las inundaciones que se presentaban. Gráfica 32. Precipitación del ensayo 2

Precipitacion minima 8000,00

Intensidad (ml/min)

7000,00 6000,00 5000,00 4000,00 3000,00 2000,00 1000,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 32. Precipitación del ensayo 2, muestra la relación entre el tiempo versus los caudales de entrada acumulados (línea azul), y los caudales de salida

138

acumulados (línea roja), en donde se aprecia, que al tener un suministro constante de agua, se tendrá una intensidad de salida con el mismo comportamiento. Al cerrar el suministro de agua, la intensidad de salida se atenúa, y drena paulatinamente lo retenido en el sustrato. Gráfica 33. Inundación del ensayo 2

Inundación 16,00

Inundacion (mm)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano A partir de los 15 minutos de iniciada la lluvia se presentaron inundaciones que se acrecentaron a medida que transcurría el tiempo. Una vez se cerró el suministro de agua, la inundación ceso en su totalidad.

139

Gráfica 34. Retención del ensayo 2

Retención 1200,00

Retención (ml/min)

1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La presencia de un flujo continuo de agua en el sustrato hace que la gráfica ascienda hasta los 60 minutos de iniciada la precipitación, luego de perder el aporte de agua, el sustrato descarga el caudal retenido. Se realizó un ensayo con una precipitación inicial máxima de 158 30 minutos se redujo dicha precipitación a 45 resultados de la simulación.

, y al cabo de

. A continuación se presentan los

Este ensayo se realizó el día 24 de septiembre de 2016 en horas de la tarde. Tabla 26. Ensayo 3

T(min)

intensidad de entrada (mm/h)

intensidad de entrada (mm/min)

intensidad de entrada (ml/min)

5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

158,00 158,00 158,00 158,00 158,00 158,00 45,00 45,00

2,63 2,63 2,63 2,63 2,63 2,63 0,75 0,75

2633,33 2633,33 2633,33 2633,33 2633,33 2633,33 750,00 750,00

140

intensidad de entrada acumulado (ml/min) 2633,33 5266,67 7900,00 10533,33 13166,67 15800,00 16550,00 17300,00

45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00 85,00 90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00

45,00 45,00 45,00 45,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 intensidad de salida (ml/min) 840,00 1762,00 3128,00 2836,00 2934,00 2996,00 2624,00 1986,00 1200,00 834,00 832,00 820,00 160,00 58,00 1,50 20,00 16,00 10,40 9,60

0,75 0,75 0,75 0,75 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

750,00 750,00 750,00 750,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

intensidad de salida acumulado (ml/min) 840,00 2602,00 5730,00 8566,00 11500,00 14496,00 17120,00 19106,00 20306,00 21140,00 21972,00 22792,00 22952,00 23010,00 23011,50 23031,50 23047,50 23057,90 23067,50

141

18050,00 18800,00 19550,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00 20300,00

retención inundación (ml/min) (mm) 1793,33 2664,67 2170,00 1967,33 1666,67 1304,00 -570,00 -1806,00 -2256,00 -2340,00 -2422,00 -2492,00 -2652,00 -2710,00 -2711,50 -2731,50 -2747,50 -2757,90 -2767,50

31,00 40,00 50,00 60,00 60,00 60,00 29,00 8,00 5,00 4,00 7,00 8,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

8,00 5,60 5,20 4,00 4,00

23075,50 23081,10 23086,30 23090,30 23094,30

-2775,50 -2781,10 -2786,30 -2790,30 -2794,30

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La Gráfica 35. Precipitación del ensayo 3, presenta la variación de los caudales de entrada acumulada (línea azul) y salida acumulada (línea roja). Dado que la precipitación al inicio de la simulación conserva un caudal de entrada de 2633,33 , el sustrato se adapta a dicho nivel de lluvia, filtrando un determinado volumen de agua y generando cierto grado de inundación. Al reducir la precipitación a 750 , el sustrato pasa por una etapa de transición hasta adaptarse a la nueva intensidad de lluvia, de modo tal, que el caudal de entrada disminuye, mientras que el caudal de salida se atenúa paulatinamente, puesto que debe descargar la acumulación de agua generada en el sustrato por la precipitación anterior. Gráfica 35. Precipitación del ensayo 3

Variación de la precipitación

Intensidad (ml/min)

25000,00 20000,00 15000,00 10000,00 5000,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

142

120,00

140,00

Gráfica 36. Inundación del ensayo 3

Inundación 70,00

Inundación (mm)

60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La inundación en el sustrato se da en función a la magnitud de la precipitación. Dado que la precipitación se atenúa, la capa del sustrato se debe adaptar a las nuevas condiciones de lluvia, e inicia la descarga del agua excedente de la precipitación anterior. Al adaptarse al régimen de precipitación actual el nivel de inundación inicia su incremento hasta el cierre del suministro de agua. Gráfica 37. Retención del ensayo 3

Retención 3000,00

Retención (ml/min)

2000,00 1000,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

-1000,00 -2000,00 -3000,00 -4000,00

Tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

143

120,00

140,00

Al presentarse precipitaciones fuertes, el sustrato entra en estado de saturación, y la retención que realiza decrece, puesto que la inundación genera una fuerza de empuje que acelera el proceso de drenado. Después de reducir el caudal, el sustrato entra en una etapa de transición, en este cambio la línea se aleja del eje x, indicando un aumento en la retención del sustrato. Una vez que se adapta a la nueva intensidad de precipitación, esta asciende hasta el cierre del suministro, en donde se drena la cantidad de agua retenida a una tasa lenta, como se puede apreciar en la Gráfica 37. Retención del ensayo 3. Para el ensayo número cuatro se decide implementar un cambio de caudal variando la intensidad y la duración de la lluvia, respecto al ensayo anterior, con el fin de comparar el comportamiento de los dos ensayos. Se inicia con una intensidad de precipitación de 57

, al cabo de 35 minutos,

dicho caudal se reduce a 9,5 , después de pasados una hora y quince minutos a partir del inicio del ensayo se cierra el suministro de agua. Este ensayo se realizó el día 14 de octubre de 2016 en horas de la tarde.

Tabla 27. Ensayo 4

T(min)

intensidad de entrada (mm/h)

intensidad de entrada (mm/min)

intensidad de entrada (ml/min)

5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00

57,00 57,00 57,00 57,00 57,00 57,00 57,00 9,50 9,50 9,50 9,50 9,50 9,50 9,50 9,50 9,50

0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16

950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 158,33 158,33 158,33 158,33 158,33 158,33 158,33 158,33 158,33

144

intensidad de entrada acumulado (ml/min) 950,00 1900,00 2850,00 3800,00 4750,00 5700,00 6650,00 6808,33 6966,67 7125,00 7283,33 7441,67 7600,00 7758,33 7916,67 8075,00

85,00 90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00

9,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,16 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

158,33 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

intensidad de salida retención inundación acumulado (ml/min) (mm) (ml/min) 270,00 680,00 2,00 770,00 1130,00 3,00 1620,00 1230,00 5,00 2480,00 1320,00 7,00 3320,00 1430,00 9,00 4140,00 1560,00 10,00 4956,00 1694,00 13,00 5756,00 1052,33 15,00 6556,00 410,67 13,00 7161,00 -36,00 0,00 7403,00 -119,67 0,00 7593,00 -151,33 0,00 7793,00 -193,00 0,00 7999,00 -240,67 0,00 8229,00 -312,33 0,00 8459,00 -384,00 0,00 8689,00 -455,67 0,00 8903,40 -670,07 0,00 9057,40 -824,07 0,00 9123,40 -890,07 0,00 9159,40 -926,07 0,00 9179,40 -946,07 0,00 9195,40 -962,07 0,00 9201,40 -968,07 0,00 Fuente: Oscar Contreras Bejarano

intensidad de salida (ml/min) 270,00 500,00 850,00 860,00 840,00 820,00 816,00 800,00 800,00 605,00 242,00 190,00 200,00 206,00 230,00 230,00 230,00 214,40 154,00 66,00 36,00 20,00 16,00 6,00

8233,33 8233,33 8233,33 8233,33 8233,33 8233,33 8233,33 8233,33

145

El comportamiento de los caudales de entrada acumulada (línea azul) y caudales de salida acumulada (línea roja), son similares a los resultados obtenidos del ensayo tres. Ambos caudales crecen a medida que la precipitación es constante, cuando se reduce la intensidad de lluvia, el sustrato al encontrarse saturado por la precipitación anterior, drena un mayor caudal con respecto al nuevo caudal de entrada. Gráfica 38. Precipitación del ensayo 4

intensidad (ml/min)

precipitación moderada 10000,00 9000,00 8000,00 7000,00 6000,00 5000,00 4000,00 3000,00 2000,00 1000,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

120,00

140,00

tiempo (min)

. Fuente: Oscar Contreras Bejarano Gráfica 39. Inundación del ensayo 4

inundación 16,00

inundación (mm)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano

146

Puesto que el caudal al que se redujo la intensidad de lluvia es bajo, este no representa inundaciones para el sustrato. Por ello, no se registran incrementos del nivel de inundación una vez que se disminuye el caudal de entrada. Gráfica 40. Retención del ensayo 4

retención 2000,00

retención (ml/min)

1500,00 1000,00 500,00 0,00 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

-500,00 -1000,00 -1500,00

tiempo (min)

Fuente: Oscar Contreras Bejarano La relación entre la retención del sustrato y el caudal de entrada es inversamente proporcional, un caudal de entrada de 950 , tiene una duración de retención mayor a un caudal de 2633,33 , puesto que al simular intensidades altas, el sustrato se tiende a saturarse más rápido, y puesto que se presenta un flujo continuo de agua a causa de la alta intensidad, la retención decrece paulatinamente, hasta que se reduce el caudal de entrada y finalmente se cierra el suministro. La vegetación a lo largo de los ensayos respondió satisfactoriamente, dado que resistió los cambios de temperatura de la ciudad de Bogotá, crecieron paulatinamente, y su color verde característico se conservó.

147

10. CONCLUSIONES Se diseña un prototipo de techo verde con capas alternativas, el cual drena eficientemente las aguas lluvias, impidiendo el paso directo de la precipitación al alcantarillado, y se evidencia un buen comportamiento de las capas del mismo al desempeñar sus funciones. Se puede concluir que en la zona de afectación, el presente proyecto se puede llevar a cabo, dadas las condición económicas del sector (dato que fue encontrado en el proceso de encuestas a la comunidad); por lo cual se podrá efectuar la compra e instalación de la nueva cubierta verde. Se modela la red de alcantarillado pluvial del área afectada, considerando la variación del coeficiente de escorrentía con la implementación de los techos verdes, y los niveles de precipitación; en donde se demuestra que la inundación disminuye en función al aumento de los techos verdes implementados. Los techos verdes son una solución eficiente a problemas de inundación por empozamiento presente en todo el mundo, y además beneficia la calidad del medio ambiente, que en algunas áreas es de gran importancia por la condición ambiental en la que se encuentra. Se recomienda generar este tipo de estudios con diferentes clasificaciones de vegetación y materiales, esto buscando la implementación de techos verdes innovadores en el marco de la sustentabilidad ambiental. Dado que las simulaciones por computador podrían poseer incertidumbres o variables que no se tienen en cuenta, la elaboración de prototipos en ingeniería complementa adecuadamente la información extraída de las modelaciones. Puesto que se realizó la construcción del prototipo de techo verde, a este se podrían incluir otros prototipos que analicen variables como la calidad del agua una vez filtrada por las capas de la cubierta, con el fin de observar sus características para la reutilización de la lluvia.

148

149

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