Diseño de soluciones constructivas frente a radón ...±o de... · Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) ELEMENTO RADIACTIVO Gas radiactivo

Borja Frutos Vázquez. Dr. Arquitecto.

Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)

Diseño de soluciones constructivas frente a radón

Experiencias en aplicaciones y optimización

Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)

ÍNDICE

El Radón. Naturaleza. Salud

Mecanismos de entrada en la edificación

Técnicas de protección:

Estrategias, Ejemplos, Singularidades y Optimización


Naturaleza del RADON

Gas inerte:

Químicamente estable.

No afinidad química.

Densidad

9,73 kg/m3. (a 0ºC y 1

atmósfera):

8 veces más pesado

que el aire (1,2 kg/m3)

Incoloro, inodoro, insípido

Soluble en agua u otros

líquidos

ELEMENTO QUIMICAMENTE ESTABLE.

Gas noble.

Naturaleza del RADON


ELEMENTO RADIACTIVO

Gas radiactivo de origen natural cuya fuente principal es el terreno. (Uranio-Radio-Radon)

Ra-226 1660 años

Rn-222 3,8 dias

alfa

RADON

Po-2183,05 minutos

alfa

Bi-214 19,7 minutos

Pb-214

alfa

26,8 minutos At-218 2 segundosbeta y gamma alfa

Pb-210 21 años

Po-214164

microseg.Tl-210 1,3 minutos

beta y gamma

alfabeta y gamma

beta

Bi-2105,01 días

beta

Pb-206

ESTABLE

Po-210 Tl-206 4,19 minutosalfa

138,4 díasbeta

alfabeta

URANIO 238

4500 millones

de años

- Radiación ALFA (menor penetración // mayor daño)- Radiación BETA- Radiación Gamma

Bequerel: nº desintegraciones/s.Concentración de actividad: Bq/m3

Afección sobre la salud


SALUD

La inhalación del gas acerca la radiación a tejidos más sensibles en los que si se pueden producir alteraciones del ADN y provocar la aparición de tumores.

Considerado agente cancerígeno Grupo 1. (OMS)

• Segunda causa de contracción de cáncer pulmonar detrás del tabaco

• Riesgo multiplicado por 5 en caso de fumadores

• 15% de cáncer pulmonar en todo el mundo es causado por el radón

• 21.000 muertes al año en Estados Unidos se deben a la inhalación de gas radón, de ellas, 3.000 se encuentran entre personas no fumadoras.

• Equiparable a las muertes por accidente de tráfico DATOS: - Organización Mundial de la Salud (OMS)- International Agency for Research on Cancer(IARC)- Environmental Protection Agency (EPA). - ISS-33 del CSN

Afección sobre la salud


EXPOSICIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES

Radiación recibida de fuentes:

NATURALES: 80 %

ARTIFICIALES: 20 %

Consejo de Seguridad Nuclear. 2017

Estimación de radón en viviendas.

Datos geológicos-Medidas en

viviendas

Límites y Mapa de Riesgo


Límites recomendados. NORMATIVA

Fuente Viv. Existentes Viv. Nuevas

Recomendación Europea. (90/143/EURATOM): 400 Bq/m3 200 Bq/m3

OMS (2009) 100 Bq/m3 100 Bq/m3

Nueva Directiva Europea (BSS-2013) 300 Bq/m3 300 Bq/m3

Fuentes de radón


Radón en suelos terrestres:

1. Depende de la cantidad de uranio (y por tanto

radio) que se encuentre en la composición del

suelo

2. Y de la permeabilidad del mismo.

(Emanación y Exhalación)

TIPO DE ROCA Contenido medio

URANIO U238

Basálticas 1,0 (ppm)

Graníticas 5,0 (ppm)

Arcillas 3,7 (ppm)

Arenas 0,5 (ppm)

Libro: “Radón, un gas radiactivo de origen

natural”. CSN y Universidad de Cantabria)

Exposición Potencial al

Radón

(EN EDIFICIOS)

Concentración de 222Rn Bq/m3 (EN TERRENO)

Permeabilidad Baja < 4. 10-13 m2

PermeabilidadMedia

4. 10-13 m2

4. 10-12 m2

PermeabilidadAlta > 4.10-12 m2

Baja<200 Bq/m3 <30.000 <20.000 <10.000

Media200 – 400 Bq/m3 30.000 –100.000 20.000-70.000 10.000-30.000

Alta> 400 Bq/m3 >100.000 >70.000 >30.000

Consejo de Seguridad Nuclear.

Fuentes de radón


(R: Radio content; E: Emanation fraction; λ Decay; ρ Density; L: Diffusion Length; d:

Thickness)

En condiciones normales:

- Tasa desde terreno 1-2 órdenes de magnitud > materiales:

• Materiales: 1.10-4 (Bq/m2/s)

• Terreno a través de soleras: 1.10-2 (Bq/m2/s)

- Contribución a concentración interior:

materiales: 20% (5 a 20 Bq/m3)

terreno: 80 % (Fuente principal)

República Checa (The National Radiation

Protection Institute)

Radón en materiales de construcción: Por su contenido en radio

SWISS RADON HANDBOOK.

Swiss Federal Office of Public

Health. 2000

Contenido en Radio - 226

Material de

construcción

Mínimo

[Bq/kg]

Máximo

[Bq/kg]

Ladrillos 45,2 143

Hormigón 21,1 192

Morteros 19,8 82

Plaqueta cerámica 63,0 117

Arena 13,3 41

Arcilla 40,9 199

Cemento 36,5 88

Yeso 12,1 86

(Nazaroff and Nero 1988)

Fuentes de radón


Tasas de exhalación de materiales de construcción:

Amit Kumar. “Modeling of indoor radon concentration from radon exhalation rates of building materials and validation through

measurements” Journal of Environmental Radioactivity Volume 127, January 2014, Pages 50-55

Radón en agua:Disuelto en corrientes subterráneas

Radon generation.

Transporte /Entrada:

Acumulación : Riesgo en concentraciones > 300 Bq/m3

Advección : (PB > PA). (porosidad) , fisuras, juntas

Difusión: A través de materiales

Mecanismos de entrada

Los mecanismos de ventilación interior, Aseos, Chimeneas, etc, pueden favorecer un flujo mayor al aumentar el gradiente.


Mecanismos de entrada


Puntos comunes de entrada. Debilidades en la envolvente.

Principalmente debido al mecanismo advectivo a través:

- Materiales porosos

- Fisuras en envolvente

- Encuentros. Juntas artificiales

- Griteas.

- Tuberías de drenaje. Saneamiento

Concentraciones


Concentraciones de registros reales. Vivienda en la sierra de Madrid.

Oscilaciones debidas a cambios en variables atmosféricas.

• Mecanismo Difusivo dependiente del Gradiente concentraciones (prácticamente estable). Típico terreno. 150.000; Típico interior 500. (FACTOR 300)

• Mecanismo Advectivo dependiente de Gradiente de Presiones.

(oscila con cambios atmosféricos)

Concentraciones. Casa Piloto


Estudio experimental en vivienda piloto.Proyecto investigación. (IETcc-CSIC y Universidad de CantabriaConsejo de Seguridad Nuclear (CSN)

PROTOTIPO DE EDIFICIO en un lugar de altas concentraciones. • Con materiales y sistemas constructivos habituales • Dos plantas



LABORATORIO INSTALADO EN EL MÓDULO

(Universidad de Cantabria)




0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

3-1-

06

6-1-

06

9-1-

06

12-1

-06

15-1

-06

18-1

-06

21-1

-06

24-1

-06

27-1

-06

30-1

-06

2-2-

06

5-2-

06

8-2-

06

11-2

-06

14-2

-06

17-2

-06

20-2

-06

23-2

-06

26-2

-06

1-3-

06

4-3-

06

7-3-

06

10-3

-06

13-3

-06

16-3

-06

19-3

-06

22-3

-06

25-3

-06

28-3

-06

31-3

-06

3-4-

06

Co

nce

ntr

ació

n R

n (

Bq

/m3)

Sotano (Bq/m3)

Planta 1 (Bq/m3)

Planta SÓTANO Planta 1ª

39.385 Bq/m3 6.855 Bq/m3

300 Bq/m3 300 Bq/m3

Máximo PLANTA 1ª

42.603 Bq/m3

Periodo de 3 meses

Concentraciones promedio

Máximo SÓTANO

130.347 Bq/m3


Presión atmosférica: Comportamiento Dinámico

Un descenso en la presión atmosférica provoca un

aumento en el flujo de radón hacia el interior

-100.000

-50.000

0

50.000

100.000

150.000

3-1

-06

6-1

-06

9-1

-06

13-1

-06

16-1

-06

19-1

-06

22-1

-06

25-1

-06

29-1

-06

1-2

-06

4-2

-06

7-2

-06

11-2

-06

14-2

-06

17-2

-06

20-2

-06

23-2

-06

27-2

-06

2-3

-06

5-3

-06

8-3

-06

11-3

-06

15-3

-06

18-3

-06

21-3

-06

24-3

-06

27-3

-06

31-3

-06

3-4

-06

Co

ncen

tració

n R

n (

Bq

/m3)

920

930

940

950

960

970

980

990

1000

Pre

sió

n A

tmo

sfé

rica (

mB

ar)

Sotano (Bq/m3)

Planta 1 (Bq/m3)

Presión Atmosférica (mBar)

El aire del terreno tarda más

en igualarse a la presión

atmosférica que el aire del

interior de una vivienda.

(Depende de la porosidad del

terreno)

Este desfase en tiempo

provoca un aumento del

gradiente de presiones e

induce un mayor flujo de

radón9

0.0

00 B

q/m

3


The Pilot House

Atmospheric changes /CRn

Wind effect. Pressure It can be calculated: CTE DB-SE P=0,5**V2

Efecto stack. Funtion High and ∆T: P = Cah (1/Text -1/Tint)

Average radon concentration (4 winter months)

• Basement 39 385 Bq/m3

• 1st floor 6 855 Bq/m3

Correlation • Atmospheric Pressure drop of 3 000 Pa (30 mBar)

Increase of 90 000 Bq/m3 225 % more

• Increase or pressure (300 Pa) due wind velocity (8 m/s)

Increase of 900 Bq/m3 2.3 %

• Temperatures varying (night and day)

Radon diary varying

• Rains. (Also pressure drop)

increase Radon concentration.

Humidity in soil make it less permeable and so, the dry terrain beneath the house can act as a sump.

The Pilot House

Atmospheric changes /CRn

Estrategias de remedio

Diseños y ejemplos, singularidades, optimización


Estrategias de remedio

Despresurización del Terreno

Evacuar el gas. Crear vías preferentes

(DRENAJE)

Barreras

Reforzar la estanquidad

Ventilación

Dilución y sobre-presión

Basadas en 3 mecanismos básicos

Natural

Forzada


Extractor

Colector

Captación

Sistemas de extracción o presurización


CAPTACIÓN• Extracción por arquetas • Extracción desde el terreno circundante• Extracción por cámara de forjado sanitario• Extracción por tubos “Dren” o sistemas similares

COLECTOR • A cubierta• A fachada

EXTRACTOR• Cuando se necesite según efectividad



Elementos de captación

Extracción desde forjado sanitario



Presurización. Crear bulbo de presiones bajo el edificio

Extracción para una gran superficie. Urbanizaciones

• Apto para terrenos permeables

• Uso de extractores de mayor potencia

Sistemas de Despresurización en terreno


El objetivo del diseño: Extensión del campo de presiones.

Base científica: - Condiciones normales:

Pin < (Pout y Psoil ): 2-5Pa (stack effect)

- Si conseguimos Psoil < Pin

Pin Pout

Psoil

Se invierte el flujo advectivo

Reduce flujo difusivo por dilución del gas en terreno. Entrada de aire fresco

DISEÑO:

Objetivo: Extender el campo de presiones (-5Pa) a toda la superficie en una superficie.

Variables del diseño: A) Número de puntos, o red; B) Potencia necesaria

Parámetros a tener en cuenta: Superficie; Permeabilidad terreno; Juntas o grietas; barreras de cimentación

Valor de garantía: (-5, -10) Pa

- RADON CERO. (2015-2018). Mitigation solutions optimization.

- RADON PERFORA. (2015-2018). Optimization solutions for big buildings.

Para comprender el transporte, acumulación y remedio. (PAUTAS PARA EL DISEÑO)

Software de MECANICA DE FLUIDOS.



E. Muñoz, B. Frutos, M. Olaya, J. Sánchez. “A finite element model development for simulation of the impact of slab thickness, joints, and membranes on indoor radon concentration” Journal of Environmental Radioactivity. Volume 177, October 2017, Pages 280–289



Estudios parámetricos (EDUARDO MUÑOZ. Trabajo de Tesis)

Exhalation Flux vs. Permeability

Permeability vs. water saturation

Exhalación por juntas: Thickness ; Diffusion

FACTORES QUE AFECTAN A LA DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES en Técnicas de Extracción

Juntas abiertas. Estanqueidad del volumen que se encuentra bajo la losa

Junta perimetral ABIERTA

Junta perimetral CERRADA



Con grava

Mayor extensión

Sin grava

FACTORES QUE AFECTAN A LA DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES en Técnicas de Extracción

Tipo de terreno bajo losa. Permeabilidad del sustrato Relación entre (K terreno) y (K grava)



Sump Underneeth Sump outside thefoundation

Los efectos de las CIMENTACIONES.



Barreras, Grietas, Extension, y Potencias

20 m

20 m

Grietas

Extracción

Cimentacion



Depressurization -50 Pa

Depressurization -150 Pa

Depressurization -75 Pa(both side of the foundation)

Campo de experimentación y prácticas. Curso 2019

Software acquisition done by MatLab


Campo de experimentación y prácticas. Curso 2019



Caso práctico de REMEDIO

DIAGNÓSTICO. Obtención de parámetros para propuesta de remedio

Vivienda con elevadas concentraciones (> 1000 Bq/m3 en planta baja)



Composición de capas de suelo

Estudios de inmisión por grietas y fisuras

Estudios de fugas

Underfloor heating system

Searching sources

Ventilation patterns





DIAGNOSTICO DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.

Estudios de:

Permeabilidad. Resistencia del terreno

Alcance de presión. Radio de acción.

Presencia de barreras. Obstáculos.

Barreras. CIMENTACIONES



Estudios de Resistencia del conjunto



DIAGNOSTICO DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.

Nº

Distancia

desde el

Vacuum

(m)

0 0

Total -330

27m/s

Total -100

15 m/sEstática -790 Estática -240

Dinámica 460 Dinámica 140

1 0.5 -110 -52

2 4 -13 -4

3 4 -44 -19

4 4.6 -3 -2

5 1.3 -92 -36

6 3.8 -37 -18

7 2 -90 -35

8 2 -75 -30

9 7.13 0 0

10 5.70 -2 -1

11 6.30 -2 0

12 4.45 -1 0



SUMULACION

DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.



PROPUESTA DE REMEDIO

Esquema en PLANTA

Esquema en SECCION


Caso práctico de REMEDIOEjecución de OBRA (ref: Geomnia y Trimar)

ActivoPasivo

800 Bq/m3

120 Bq/m3



Applying knowledge


Applying knowledge


Applying knowledge


Applying knowledge


Applying knowledge

Algunos ejemplos Mas ejemplos…..


Pozo combinado con drenaje de agua

Cuando el nivel freático es alto

Arquetas previa construcción

Red Dren

Desde el exterior en viv. Construida

Sistemas de barreras

Borja Frutos . Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)

Función:

Evitar el paso de radón hacia el interior.

Dotar de mayor estanquidad a la envolvente del edificio en contacto con el terreno



Colocación

En todo elemento en contacto con el terreno

Materiales

En base a requisitos:

- Impermeables frente al paso del gas radón. Bajo coeficiente de difusión < 1.10-11m2/s

- Resistencias mecánicas y Durabilidad: Garantizar la estanquidad.

• Láminas de polietileno

• Láminas bituminosas

• Láminas de PVC

• Láminas de caucho

• Sistemas líquidos Proyección y pinturas

Barrera RMB 30 (Monarflex)

Sándwich de polietileno de baja densidad con malla de fibra de poliester



Tratamiento encuentros y puntos singulares (IMPORTANTE!!!)

Juntas

Solapes

Pasa tubos

(Frutos, B. Olaya, M. Las prestaciones en construcción de las barreras anti radón. La evaluación técnica de membranas.

II Congreso Nacional de Investigación en Edificación. UPM. Diciembre 2010)

Basados en 2 mecanismos:

1. Dilución del gas por intercambio de aire con el exterior.

Aire exterior (10-20 Bq/m3)

Aire interior (>100 Bq/m3) Mezcla concentración

2. Modificación del estado de presiones.

∆ P (Terreno-Interior) POSITIVO. Presurización∆ P (Terreno-Interior) NEGATIVO. Depresión

P int

P terreno

P int

P terreno

Ventilación


Ventilación


Infiltración Natural. Hermeticidad: Define el grado permeabilidad de la envolvente. (carpinterías, grietas, encuentros, etc.)

Intercambiando aire con el exterior. DILUCIÓN…..disminuye la concentración

Ensayo de Bloower Door- Viviendas de cierta antigüedad 1,5 (h-1) - Viviendas actuales 0,25 (h-1)

Directivas eficiencia energética. Dotar de mayor estanquidad para evitar pérdidas energéticas

Institute for Building Science Eduardo Torroja (CSIC). Borja Frutos

Impact on energy efficiency

Caso ejemplo:

Rehabilitación energética por infiltración:

1.5 ACH 0.25 ACH

Radon increase: 200 Bq.m-3 1000 Bq.m-3

Tasas en función de infiltración.

Concentración Inicial (900):

Objetivo: (200):

Case 1: 1.2 ACH

Case 2: > 6 ACH

Tasas de ventilación necesarias

Vivienda unifamiliar pareada.

2 plantas + ático. Sup. habitable: 240 m2. Vol. de aire 696 m3.

Objetivo. Reducir hasta 200 Bq/m3

C=R/V.t Desarrollo de ecuación diferencial para las condiciones de contorno.

R=Bq/s Tasa de entrada de radón por el suelo.

V. Volumen de acumulación. Espacio habitado.

t (h-1) Sumatorio (d const desintegración + h tasa de hermeticidad + r tasa de renovaciones /h)


Ventilación

Repercusión en la eficiencia energética (ventilación)

1 ACH 5 ACH

Incremento aprox.: 36.000 kWh/año

2.600 €/año. Madrid

Borja Frutos y Eduardo Muñoz. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)

Simulación Energética

(Energy Plus-Design Builder)

Caso real


Ventilación


Ventilación

Otro caso de tratamiento con técnica de Ventilación.

• Intercambiador +

• desequilibrio caudales (Sobrepresión)


Sobre la elección de la Solución

En función de: EFECTIVIDAD REQUERIDA

BARRERAS

Aumentar ventilación interior

Ventilación natural bajo suelo

Ventilación forzada bajo suelo

Presurización

Sump pasivo

Sump forzado

Presencia interior de Radón ( Bq/m3)Tipo de solución

Cuadro de efectividadesBRE (Building Research Establishment. Reino Unido)

Borja Frutos Vázquez. Dr. Arquitecto. ([email protected])

Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)

Gracias por la atención

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Diseño de soluciones constructivas frente a radón ...±o de... · Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) ELEMENTO RADIACTIVO Gas radiactivo