21 mayo, 2024 12:42 am

Ajuste de sistemas de tuberías al movimiento sísmico

Jair Echeverría Gutiérrez. Gerente de Soluciones para la Industria en Victaulic.

Han surgido diversas innovaciones en la industria de la construcción con el propósito de hacer más segura una obra durante un siniestro. Una de ellas es el uso de sistemas de unión ranurada de tuberías para ajustar el movimiento sísmico, que admiten cierto grado de desplazamiento angular y evitan un exceso de oscilación que pudiera poner en riesgo a la propia tubería y a otros componentes.

 

El desarrollo de nuevas tecnologías para la construcción ha permitido en la Ciudad de México la edificación de torres altas capaces de soportar los movimientos producidos durante sismos, fenómenos que se presentan allí de manera frecuente. Considerando los tipos de suelos que predominan en la capital, los desarrolladores deben instalar en los edificios soluciones de aislamiento capaces de limitar el desplazamiento, con la finalidad de crear espacios seguros para vivir.

Estos avances no deben limitarse a la parte estructural, ya que también se requiere proteger los sistemas mecánicos, los cuales suministran servicios esenciales para garantizar la habitabilidad del edificio, incluyendo abastecimiento de agua, drenaje,  calefacción, ventilación, aire acondicionado o sistemas contra incendio.

Para resguardar estos componentes, la ingeniería ha desarrollado soluciones para la unión de las tuberías que permiten el movimiento controlado de sus componentes, lo cual ayuda a garantizar la seguridad de las personas durante un siniestro, así como prevenir daños colaterales en el edificio. La base de esta innovación consiste en tuberías, coples y uniones diseñados para ajustar a la actividad sísmica segmentos completos de trazados, con la finalidad de evitar fugas o rupturas.

 

La importancia de adaptarse al movimiento sísmico

La Ciudad de México está construida sobre un terreno que representa desafíos muy importantes para los constructores, especialmente porque algunas zonas amplifican los movimientos sísmicos.

De acuerdo con Silvia García, investigadora del Instituto de Ingeniería de la UNAM, “los suelos diversos del Valle de México no responden igual ante un sismo. Existen zonas con rocas o suelos generalmente firmes, otras con blandos, de muy baja resistencia, y otras más, llamadas de transición, en las que se observan secuencias erráticas de estos materiales disímiles. Por todo ello, el hundimiento regional, el agrietamiento, la presencia de cavidades o socavaciones y los rellenos no controlados son elementos que aumentan la vulnerabilidad de la ciudad en caso de una acción de esa naturaleza” (México Ambiental, 2015).

Cuando ocurre un sismo, cerca del epicentro se perciben movimientos intensos tanto verticales como horizontales, mientras que en lugares alejados de él unos cientos de kilómetros, el movimiento es predominantemente horizontal y produce fuerzas sísmicas o laterales. Las fuerzas sísmicas a las que es sometida la estructura de un edificio dependerán de su masa y de su altura; mientras más peso tenga en la parte superior, mayor será la fuerza sísmica que se generará sobre la construcción.

A raíz de la tragedia producida por el sismo de 1985, las autoridades reformaron el código de construcción; se fortaleció, en primer lugar, la reglamentación sobre la calidad de materiales y la tecnología empleada en los edificios; en segunda instancia se aumentó la cantidad del personal involucrado en la construcción (Meza y Solís, 2015).

Han surgido diversas innovaciones en la industria de la construcción con el propósito de hacer más segura una obra durante un siniestro. Una de ellas es el uso de sistemas de unión ranurada de tuberías para ajustar el movimiento sísmico, que admiten cierto grado de desplazamiento angular y evitan un exceso de oscilación que pudiera poner en riesgo a la propia tubería y a otros componentes.

 

Ajuste del movimiento sísmico en sistemas mecánicos

En los edificios de una urbe tan propensa a los sismos como la Ciudad de México, además de los elementos estructurales también están expuestas a fuerzas y desviaciones las tuberías de los sistemas de protección contra incendios, climatización, construcción industrial e instalaciones de agua. Cuando las tuberías no son capaces de adaptarse a estos movimientos, pueden llegar a provocar un daño extenso a dichos sistemas e incrementar el riesgo para la estructura de los edificios.

El método de unión mecánica ranurada de tuberías permite la instalación de dos tipos de uniones: rígidas y flexibles. Las uniones rígidas se utilizan en los segmentos de un sistema de tuberías donde no es deseable flexibilidad, mientras que las flexibles se pueden utilizar estratégicamente en partes de sistema donde se calcula que ocurrirá movimiento debido a un sismo. Las características de las segundas permiten acomodar el desplazamiento de la tubería causado por las fuerzas sísmicas en alguna de las siguientes condiciones:

  • Sistemas regulados por códigos con soporte sísmico adecuado
  • Sistemas no regulados, con poco soporte sísmico o sin él
  • Conexiones sísmicas articuladas entre secciones con movimiento independiente
  • Sistemas bajo tierra

 

Las uniones flexibles ranuradas logran aislar a los sistemas de tuberías y permiten que se muevan de manera independiente sin ocasionar tensión excesiva, gracias a sus cuatro elementos básicos: las tuberías con extremos ranurados, el empaque que crea un sello hermético, las carcasas del cople que sujetan los extremos de los tubos y las tuercas y pernos que sujetan las carcasas.

El método de unión mecánica ranurada de tuberías permite la instalación de dos tipos de uniones: rígidas y flexibles. Las uniones rígidas se utilizan en los segmentos de un sistema de tuberías donde no es deseable flexibilidad, mientras que las flexibles se pueden utilizar estratégicamente en partes de sistema donde se calcula que ocurrirá movimiento debido a un sismo. Las características de las segundas permiten acomodar el desplazamiento de la tubería causado por las fuerzas sísmicas.

El sistema ranurado es un método eficiente, compacto, rápido, limpio y seguro para la instalación de sistemas de tuberías presurizadas. Proporciona una unión autocentrada, adaptada a las necesidades de presión, vacío y otras fuerzas externas. Para utilizar este método, los extremos de los tubos  que pueden ser de diversos materiales como acero o plásticos de alta densidad deben estar ranurados adecuadamente, ya sea mediante corte o laminado.

El corte o tallado está pensado para tuberías de un espesor de cédula 40 y superior; elimina metal del exterior del tubo y deja, por lo tanto, una superficie lisa en su interior. Los bordes de la ranura quedan en escuadra y permiten que la unión flexible maximice las propiedades de expansión, contracción y desviación.

Por su parte, el método de laminado está pensado para tubos con espesores de cédula 5 a 40. El ranurado por laminación forma la ranura utilizando un proceso de deformación en frío que desplaza el material pero no lo elimina; forma un perfil de la ranura radiado debido a la geometría resultante en los bordes. La unión flexible que utiliza extremos de tubos ranurados por laminación ofrecerá flexibilidad más limitada en comparación con la unión flexible instalada en tubos ranurados por corte.

El sistema de unión mecánica ranurada es compatible con coples que pueden proporcionar una unión rígida o flexible. Las uniones rígidas son especialmente útiles para instalaciones verticales y de bombeo; están diseñadas para impedir el movimiento entre segmentos de tubos acoplados donde la flexibilidad no es deseada, de manera similar a como sucede en una unión bridada o soldada.

Por otra parte, el cople flexible se caracteriza por que la unión que forma permite movimientos lineales, angulares y de rotación (véase figura 1) entre los tubos unidos, por lo que es especialmente útil en instalaciones donde se requiere un desplazamiento controlado limitado. Gracias a los espacios libres que existen entre los extremos de los elementos a unir, se pueden acomodar movimientos lineales (de expansión y contracción) en la tubería, provocados generalmente por cambios de temperatura o por las fuerzas inherentes al sistema (como cargas de empuje).

El valor máximo del movimiento lineal se obtiene de la diferencia entre la máxima y la mínima separación entre los tubos. También depende del tipo de ranura, de la dimensión de la tubería y de las tolerancias de las ranuras.

Los desplazamientos angulares de la tubería se generan debido al espacio existente entre el cople y la geometría de la ranura; se adaptan a situaciones en las que se requieren ciertas desviaciones (paredes o terrenos discontinuos). El ángulo para este movimiento varía dependiendo del tamaño y estilo de cople.

Finalmente, el diseño de una instalación de unión ranurada ha de tener en cuenta los siguientes elementos: el peso de los componentes (tuberías, coples, el fluido contenido); la protección adecuada de las tensiones existentes en las uniones; los factores dinámicos del sistema, tanto internos (cargas de empuje o cambios de temperatura) como externos (movimientos del terreno, etc.), y las características de los soportes y anclajes.

Al realizar la instalación en un edificio, más de 95% de las uniones mecánicas utilizadas para tuberías ranuradas son típicamente coples del tipo rígido colocados en áreas donde la flexibilidad no es requerida, incluyendo trayectos muy largos y rectos, ya que eliminan el movimiento que ocurre con las uniones flexibles ranuradas; así cumplen con los requisitos de soporte similares a los de sistemas soldados.

En las uniones restantes, se recomienda es emplear articulaciones oscilatorias sísmicas, capaces de proporcionar movimiento simultáneo en todas las direcciones. Estas articulaciones están compuestas por coples flexibles, niples y codos que permiten el movimiento lineal, angular y rotacional en áreas específicas, según sea necesario.

Las tuberías deben ser instaladas con un componente flexible (unión de aislamiento sísmico) capaz de ajustar tanto el movimiento diferencial que ocurrirá entre ellas como el desplazamiento producido en otras estructuras antisísmicas a las que estén ancladas. El elemento flexible permite que estas estructuras, así como las tuberías unidas a ellas, se muevan de manera independiente al interior del edificio, sin dañarse entre sí o a otros equipos durante el sismo (véase figura 2).

Debe resaltarse que los sistemas diseñados para aplicaciones sísmicas requieren una revisión cuidadosa de los datos de rendimiento de las tuberías publicados por cada fabricante, incluyendo la tolerancia al movimiento lineal y angular. Los coples para tuberías ranuradas no proporcionan los grados máximos de desplazamiento para los dos movimientos de manera simultánea; sin embargo, puede diseñarse un sistema capaz de ajustarse a ellos utilizando un número suficiente de uniones. Esto es importante porque las configuraciones de tubería deben aislar el movimiento que ocurre de forma independiente en las estructuras. Para estos casos, los aislamientos sísmicos y la combinación de coples flexibles y rígidos impide que las tuberías fijadas a la estructura adyacente se rompan o fracturen la estructura.

Al utilizar una combinación de coples flexibles y rígidos y juntas de expansión en los sistemas de tuberías se puede ajustar el desplazamiento durante un sismo; lo importante es considerar los niveles de tolerancia que cada fabricante señala para los materiales. Con base en esa información se puede determinar el número y tipo de uniones que se requerirán para instalar sistemas mecánicos seguros y que puedan ajustarse a los movimientos.

 

Comprobación de la efectividad

La confiabilidad de los sistemas de unión mecánica de tuberías durante movimientos sísmicos ha quedado demostrada a través de rigurosas pruebas llevadas a cabo por la Red para Simulaciones de Ingeniería Sísmica (NEES, por sus siglas en inglés), mediante las cuales los componentes han sido expuestos a aceleraciones hasta 50% mayores que las del terremoto de Northridge, California, del año1994, cuya aceleración terrestre fue la mayor que se ha registrado hasta el momento en un área urbana de Estados Unidos (Victaulic, 2008).

Antes de adentrarnos en los resultados, se debe aclarar que la escala Richter es una medida de la energía liberada durante el fenómeno y no puede ser utilizada como referente para el diseño de un edificio o de un sistema de tuberías. Es útil para comparar las fuerzas relativas de diferentes sismos, pero no sirve para predecir de manera directa el movimiento o las fuerzas que un edificio en particular o algún sistema mecánico experimentará.

Los ingenieros estructuristas diseñan los sistemas de tuberías para soportar los desplazamientos y las aceleraciones ocasionados por el movimiento del suelo, el cual no se basa exclusivamente en la energía liberada sino también en otros factores como las propiedades geológicas, el tipo de edificio y la proximidad del epicentro. Los movimientos de los propios edificios y de la infraestructura alojada en su interior pueden variar de forma considerable dependiendo del tamaño y la forma del edificio, del método y los materiales de construcción (acero, concreto, madera). Los sistemas de tuberías son diseñados e instalados de acuerdo con los desplazamientos y fuerzas especificados por el ingeniero estructurista. Estos parámetros del diseño dependen de la sismicidad del lugar, así como de la zona donde se planea instalar el sistema mecánico.

Por tales razones, los parámetros de la prueba se basaron en un rango de frecuencia que consideró los registros históricos y aceleraciones presentes en el lugar de la construcción, fijándolos por arriba de los valores que comúnmente se registran para simular un sismo sin basarse en valores de la escala Richter (Victaulic, 2008).

La magnitud de los desplazamientos y aceleraciones que se esperan ante un sismo en un sitio específico dependen de los siguientes elementos:

  • Distancia del epicentro (distancias cortas se traducen en mayores fuerzas y desplazamientos)
  • Condiciones del suelo (suelos blandos producen desplazamientos y fuerzas mayores)
  • Tipo de construcción (el estilo de construcción, así como el peso y altura del edificio, afectan la manera en que las tuberías y la estructura se comportan durante un sismo)

 

Considerando todo lo anterior, la prueba se llevó a cabo utilizando tres dimensiones de tuberías, de 4, 8 y 16 pulgadas. Cada una fue probada de manera individual aunque utilizando los mismos coples y tuberías para las tres pruebas. La evaluación incluyó una prueba de desplazamiento estático, otra de balanceo sinusoidal y, finalmente, una de vibración. Cuando las pruebas terminaron, se llevó a cabo una simulación híbrida multidireccional en tiempo real del terremoto de Northridge, con la finalidad de estudiar la respuesta de los sistemas de tuberías instalados en un edificio de tres pisos durante un sismo real.

Después de haber realizado las pruebas, no hubo evidencia de fugas en alguna de las tuberías; la presión interna fijada a 200 psi/1,375 kPa se mantuvo constante, mientras que los coples resistieron los desplazamientos (véase figura 3).

 

Conclusión

Para garantizar tanto la integridad de un edificio como la seguridad de sus ocupantes, su diseño debe ser capaz de aislar el movimiento producido durante un sismo, lo cual requiere pensar más allá de los elementos estructurales. La ingeniería aplicada ha otorgado a la industria de la construcción soluciones que responden a esta necesidad, como el sistema de unión ranurada de tuberías.

Las pruebas realizadas por la NEES demuestran que este método, que combina el uso de coples rígidos y flexibles, permite adaptar el movimiento y evitar daños a los sistemas mecánicos; esto lo convierte en una solución idónea para las construcciones erigidas en un suelo tan propenso a sismos como el de la Ciudad de México, pues además de la seguridad ofrece beneficios adicionales, incluida la practicidad en su instalación al evitar el uso de soldadura, lo que permite mantenimientos sencillos e incluso rediseños

 

Referencias
México Ambiental (23 de octubre de 2015). Experta de la UNAM reinterpreta la sismicidad en la Ciudad de México; podría ser determinante para modificar diseños y salvar vidas. Disponible en: http://www.mexicoambiental.com/v2/experta-de-la-unam-reinterpreta-la-sismicidad-en-la-ciudad-de-mexico-podria-ser-determinante-para-modificar-disenos-y-salvar-vidas/
Meza, Nayeli, y Arturo Solís (2015). 10 colosos a prueba de sismos en la Ciudad de México. Forbes México, 18 de septiembre. Disponible en: https://www.forbes.com.mx/10-colosos-a-prueba-de-sismos-en-la-ciudad-de-mexico/
Victaulic (2008). Seismic Testing Program. Disponible en: http://static.victaulic.com/assets/uploads/literature/26.13.pdf

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