En áreas propensas a terremotos, los códigos de construcción exigen diseño sísmico para elementos estructurales (vigas, columnas y muros de soporte) y también exigen salvaguardas sísmicas para elementos no estructurales, sistemas y componentes dentro de un edificio que realizan funciones básicas.
Los elementos no estructurales incluyen sistemas mecánicos, eléctricos, de plomería, HVAC y rociadores contra incendios.
La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) es la principal autoridad en esta área.
Su código modelo, ASCE 7 : Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras , informa los documentos del Código Internacional de Construcción (IBC) y la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) sobre la protección de elementos no estructurales.
Y las aplicaciones específicas de protección contra terremotos en los sistemas de rociadores contra incendios se detallan en NFPA 13 : Norma para la instalación de sistemas de rociadores contra incendios.
La falla de un sistema de rociadores contra incendios después de un terremoto significa un gasto significativo para volver a poner estos sistemas en línea y presenta un grave riesgo para la seguridad de la vida.
Esto último es especialmente preocupante, dada la mayor probabilidad de incendios después de un terremoto.
El impacto financiero de los sistemas de protección contra incendios dañados durante y después de los terremotos
FM Global afirma que durante el terremoto de Northridge CA en 1994 (un evento fuerte de magnitud 6,8), el 74 % de las instalaciones encuestadas «en áreas de la mayor sacudida del suelo … con sistemas de rociadores inadecuadamente arriostrados experimentaron fugas o fallas de rociadores”.
Entre el precio de las piezas, los gastos de mano de obra y los daños causados por las inundaciones, reparar un sistema de rociadores contra incendios y limpiar las consecuencias puede ser extremadamente costoso.
Dependiendo de la extensión del daño y el tipo de edificio, el costo de reparar todos los elementos no estructurales dañados a veces puede exceder el valor del edificio en sí .
Los rociadores de incendio dañados también pueden privar a los propietarios del uso del edificio.
Incluso si no sufre daños estructurales durante un terremoto y los sistemas mecánicos, de plomería, de gas y eléctricos siguen funcionando, el código contra incendios puede hacer que un edificio con un sistema de rociadores contra incendios dañado no sea apto para el uso normal.
Los propietarios de edificios pueden implementar una vigilancia contra incendios para mantener un negocio operativo , pero los requisitos de mano de obra pueden ser costosos.
Los riesgos de incendio después de eventos sísmicos son elevados
Dejando a un lado las consideraciones financieras, los sistemas de protección contra incendios son especialmente cruciales durante y después de los terremotos.
Como explica el NFPA Journal , los incendios pueden volverse más frecuentes debido al cableado expuesto, la formación de arco eléctrico, las fugas de gas y otros derrames de combustible que crean un riesgo elevado de incendio.
Después del terremoto de Northridge, California, hubo más de 14,000 fugas de gas natural y 110 incendios, según FM Global.
El terremoto de 1906 en San Francisco, uno de los peores desastres naturales en la historia de Estados Unidos, encendió incendios que ardieron durante tres días y destruyeron casi 500 manzanas de la ciudad.
Es doblemente importante que los sistemas de protección contra incendios en riesgo tengan las protecciones sísmicas que les permitan funcionar según lo previsto.
¿Dónde se necesita el diseño sísmico? ¿Y cuánto soporte sísmico para tuberías se requiere?
Los terremotos no ocurren en todas partes, por supuesto, y no todos los terremotos son iguales. No es necesario diseñar edificios que nunca experimentarán terremotos con el mismo estándar que un rascacielos construido cerca de una falla. Entonces, ¿qué edificios necesitan protección sísmica y cuánto? En una palabra:
- A cada edificio se le asigna una categoría de diseño sísmico (SDC), que explica la probable gravedad de un terremoto y el peligro que representa para la vida humana.
- Los SDC varían de A a F , siendo F el más grave.
- Las autoridades locales y las leyes locales determinan cómo los sistemas de rociadores contra incendios deben protegerse contra los terremotos, basándose en gran medida en estos SDC.
La ASCE es la autoridad para determinar la categoría de diseño sísmico (SDC) de un edificio y los componentes que lo componen. La NFPA y el IBC siguen el liderazgo de la ASCE y su código modelo ASCE 7, y las autoridades que tienen jurisdicción (AHJ) comúnmente usan la ASCE 7 para determinar cuándo y cuánta protección sísmica es necesaria para los elementos no estructurales.
La NFPA 13 no determina cuándo es necesaria la protección sísmica para los rociadores contra incendios; simplemente dice cómo se debe implementar la protección sísmica.
ASCE 7 utiliza dos fuentes de información para determinar una categoría de diseño sísmico (SDC): categoría de ocupación y el nivel de riesgo sísmico , a menudo determinado por mapas de riesgo sísmico del US Geological Survey (USGS).
La categoría de ocupación de un edificio se determina utilizando los criterios descritos en el Capítulo 1 de ASCE 7. Las categorías de ocupación describen, en orden ascendente de I a IV, el riesgo para la vida humana que representa la falla de la estructura en cuestión.
Las estructuras de Categoría I generalmente o siempre están desocupadas, mientras que los edificios de Categoría IV incluyen hospitales, estaciones de policía y bomberos, refugios de emergencia e instalaciones que almacenan materiales extremadamente peligrosos.
Cuanto mayor sea la categoría de ocupación, más estrictos serán los requisitos de diseño sísmico.
Los mapas de peligro sísmico publicados por el USGS proporcionan información sobre la probabilidad y la intensidad de los terremotos. Estos mapas muestran información como la aceleración máxima de los terremotos potenciales con las probabilidades de su superación durante ciertos períodos.
Esta información, en combinación con la categoría de ocupación, informa la determinación de la categoría de diseño sísmico, que varía de A a F.
La categoría A tiene la menor preocupación por el terremoto. La categoría F, que requiere la protección sísmica más estricta, está reservada para edificios de categoría IV de ocupación cerca de fallas activas mayores.
Tenga en cuenta que la información como la aceleración del período de un terremoto potencial que es proporcionada por los mapas de riesgo sísmico también es necesaria para realizar los cálculos requeridos por NFPA 13.
Sin embargo, no debería tener que navegar por el código ASCE o leer mapas de USGS para determinar la categoría de diseño sísmico de su edificio u obtener los cálculos requeridos por NFPA 13. La información relevante como SDC y los valores de aceleración esperados deben figurar en las notas estructurales de los planos del edificio.
En cuanto a determinar cuándo son necesarias las medidas de diseño sísmico para los sistemas de rociadores contra incendios, la autoridad local competente tiene la última palabra.
Disposiciones sísmicas recomendadas para nuevos edificios y otras estructuras , una publicación del Programa Nacional de Reducción de Riesgos de Terremotos (NEHRP) de FEMA, ofrece alguna orientación.
Para la categoría de diseño sísmico C, dice que «los componentes no estructurales críticos deben contar con restricción sísmica». Para las categorías D a F, se hacen recomendaciones más estrictas, incluyendo que los componentes de seguridad de vida puedan funcionar después de un terremoto.
Cómo el diseño sísmico previene el daño del terremoto
Las técnicas de diseño sísmico protegen los elementos no estructurales durante un terremoto al contrarrestar varios tipos de movimiento que causan daños. Comprender cómo los terremotos mueven el suelo (y los edificios) revela por qué son necesarias diferentes medidas de diseño sísmico. Pero, en resumen:
- Dos tipos de waves- las ondas P y las ondas S -Siga en la estela de un terremoto, causando agitación, flexión y torsión.
- Los componentes flexibles reducen el estrés durante un evento sísmico al permitir que los sistemas de rociadores se muevan o doblen en ubicaciones específicas. Los refuerzos sísmicos restringen el movimiento de tuberías y accesorios para evitar colisiones con paredes, techos y otras partes del edificio.
El resto de este artículo examina las técnicas y tecnologías utilizadas para aumentar la flexibilidad de los sistemas de rociadores contra incendios.
Una combinación de rigidez y flexibilidad protege mejor los sistemas de rociadores contra daños por terremotos
Los terremotos son causados por resbalones repentinos de la corteza terrestre. Cuando ocurre este movimiento, las olas viajan a través de la tierra. Los terremotos producen dos tipos de ondas: ondas P y las ondas S .
Las ondas P, u ondas primarias, son como ondas de sonido en el sentido de que son compresivas.
A medida que se mueven por el suelo, comprimen y expanden alternativamente las partículas en el suelo.
Las ondas P son generalmente las más rápidas de los dos tipos de ondas. Debido a que causan relativamente poco movimiento en la superficie de la tierra, las ondas P tienden a causar mucho menos daño.
Las ondas S, u ondas secundarias, causan la mayoría del daño del terremoto. Se mueven a través del suelo como las olas del océano se mueven a través del agua, desplazando en lugar de comprimir las partículas.
Las ondas S mueven la tierra, y los edificios en ella, en tres dimensiones: arriba y abajo, de lado a lado y de adelante hacia atrás.
Las medidas de diseño sísmico explican las ondas secundarias variables. El Instituto Internacional de Gestión de Riesgos identifica dos formas principales de terremotos que causan daños a elementos no estructurales: efectos de inercia (es decir, sacudidas) y distorsiones (es decir, flexión y torsión) del movimiento diferencial.
El diseño sísmico para elementos no estructurales, incluidos los sistemas de rociadores contra incendios, protege contra los efectos inerciales y las distorsiones de dos maneras:
- La flexibilidad incorporada minimiza la tensión ejercida en los sistemas de rociadores contra incendios por el movimiento diferencial de los elementos estructurales.
- Los refuerzos y restricciones adicionales conectan los sistemas de rociadores a las estructuras para que se muevan como una unidad, lo que reduce el daño por sacudidas.
El resto de este artículo examina las técnicas y tecnologías utilizadas para aumentar la flexibilidad de los sistemas de rociadores contra incendios.
Diseño sísmico para tuberías: la flexibilidad y la holgura protegen del movimiento diferencial en elementos no estructurales
Los edificios se mueven en tres dimensiones durante un terremoto, pero no todos los componentes de un edificio se mueven como una unidad.
Diferentes elementos estructurales, como cimientos, vigas y columnas, pueden moverse en diferentes direcciones y velocidades en diferentes momentos.
Las alas separadas de un edificio, así como los edificios adyacentes con servicios públicos compartidos, tampoco pueden moverse juntos.
Este fenómeno se conoce como movimiento diferencial. Este daña los sistemas de rociadores mediante la aplicación de par de torsión o torque, causando golpe en la tuberías contra elementos estructurales, y la separación o rompimiento de las tuberías.
Una causa del movimiento diferencial es el desplazamiento de piso o planta.
El desplazamiento de piso ocurre cuando un nivel de un edificio se mueve horizontalmente en relación con el suelo. Recuerde que las ondas S desplazan el suelo y los cimientos lateralmente.
Pero (si recuerda sus lecciones de física sobre la inercia) la estructura vertical del edificio no se mueve inmediatamente de lado a lado con el suelo. Se queda atrás, haciendo que el edificio se balancee.
Por lo tanto, los elementos no estructurales como los elevadores de rociadores contra incendios que corren verticalmente a través de un edificio pueden sufrir daños por el movimiento diferencial del desplazamiento de la historia.
Otra fuente de daños a los sistemas de rociadores contra incendios es el movimiento diferencial de estructuras independientes.
Los servicios públicos a menudo cruzan espacios entre edificios o entre diferentes alas de un solo edificio. Estas brechas pueden ser incidentales o pueden haber sido diseñadas para proteger las estructuras de eventos sísmicos (en cuyo caso pueden denominarse juntas sísmicas o brechas sísmicas).
En cualquier caso, se puede esperar que los edificios o alas a ambos lados de una brecha se muevan de manera diferencial durante un terremoto.
Como explica FEMA , el daño por terremoto a componentes no estructurales en espacios sísmicos es muy común.
Con cada estructura moviéndose independientemente en tres dimensiones, la tubería de rociadores contra incendios que cruza tal espacio puede separarse, aplastarse, golpearse contra miembros estructurales adyacentes o romperse.
El amplio espacio libre evita que la tubería de rociadores contra incendios golpee los miembros estructurales
Los requisitos de espacio sísmico varían según el tamaño de la tubería
Las tuberías a menudo deben pasar a través de elementos como vigas, techos, pisos y paredes.
Cuando no se espera que se mueva como una unidad con el elemento que atraviesa, la sección 18.4 de la edición de 2019 de NFPA 13 requiere suficiente espacio libre alrededor de la tubería para evitar el golpe durante el movimiento diferencial.
La Sección 18.4.2 detalla los requisitos de tamaño para los agujeros libres, especificando que:
- Se debe proporcionar un espacio libre de 2 pulgadas (nominal) alrededor de la tubería con un diámetro nominal entre 1 y 3,5 pulgadas de diámetro.
- Se debe proporcionar un espacio libre de 4 pulgadas (nominal) alrededor de la tubería con un diámetro nominal de 4 pulgadas o mayor.
La Sección 18.4.3 explica que el espacio libre proporcionado por un manguito de tubería debe usar estas mismas dimensiones.
Dependiendo del tipo de tubería o de la construcción de materiales vecinos, es posible que no se requieran orificios más grandes
No se requiere espacio libre cuando la tubería pasa a través de miembros estructurales en ciertos casos, sin embargo, incluyendo:
- Cuando la tubería pasa a través de materiales fácilmente rompibles como paneles de yeso ( 4.4 )
- Cuando se instalan acoplamientos flexibles en ambos lados de la pared o viga dentro de las 12 pulgadas de la superficie ( 4.5 )
- Cuando se cumplen ciertas condiciones para tubería ascendente corta ( 4.5 )
- Cuando la tubería pasa perpendicularmente a través de montantes o viguetas que forman una sola pared o piso / techo ( 4.6 )
- Cuando se utilizan tuberías no metálicas que tienen una flexibilidad igual o mayor que cualquier acoplamiento flexible que esté instalado a ambos lados del servicio estructural ( 4.7 )
Los requisitos adicionales ayudan a garantizar la cantidad correcta de espacio libre
Es importante trabajar con profesionales de seguridad e ingeniería contra incendios para garantizar que se permita suficiente espacio libre donde la tubería pasa a través de los miembros estructurales. Y la creación de autorización no debe comprometer la integridad del miembro estructural.
Además, como lo indica la sección 18.4.8 de NFPA 13, el código de construcción puede requerir que las penetraciones de las tuberías se sellen con material flexible que pare el fuego.
También tenga en cuenta que, según 18.4.11 , los cabezales de los aspersores deben estar al menos 3 pulgadas de distancia de los miembros estructurales (excluyendo aquellos que soportan los aspersores). Este requisito puede dificultar la instalación de rociadores en techos, pero el problema se puede resolver mediante el uso de gotas flexibles para rociadores contra incendios en lugar de armaduras rígidas.
Los acoplamientos flexibles reducen el daño del movimiento diferencial
La flexión controlada puede evitar daños y proporcionar soporte sísmico a las tuberías.
Los acoplamientos de tubería flexibles reducen la tensión en las tuberías durante un terremoto al permitirles doblarse y flexionarse con la estructura. NFPA 13 define un acoplamiento flexible de la siguiente manera:
3.3.78 Acoplamiento flexible. Un acoplamiento o accesorio listado que permite desplazamiento axial, rotación y al menos 1 grado de movimiento angular de la tubería sin inducir daños en la tubería. Para diámetros de tubería de 8 pulg. (200 mm) y mayores, se permite que el movimiento angular sea inferior a 1 grado pero no inferior a 0,5 grados.
Los acoplamientos de tubería ranurados flexibles funcionan según el mismo principio básico que los acoplamientos ranurados rígidos: una junta en forma de C asegurada por una carcasa crea un sello donde se unen dos tuberías. Pero los acoplamientos flexibles, a diferencia de sus contrapartes rígidas, están diseñados para mantener su sello a pesar de cierta separación axial y desviación angular de los extremos de la tubería. También permiten la rotación axial, a veces hasta 360 grados.
Los acoplamientos de tubería ranurados consisten en una junta en forma de C que proporciona un sello y una carcasa atornillada que se ajusta sobre las ranuras de cada tubería contigua y asegura la junta. La única diferencia entre los acoplamientos ranurados flexibles y rígidos es la cantidad de separación y deflexión que el acoplamiento puede soportar mientras mantiene un sello. Fuente: Bombas y Sistemas
Las tuberías ranuradas de 2 1/2 «de diámetro o más, incluidas las que se encuentran en muchos elevadores de rociadores contra incendios, pueden requerir acoplamientos flexibles
Un profesional de protección contra incendios debe seleccionar acoplamientos que se ajusten a las tuberías de los rociadores contra incendios y proporcionar suficiente flexibilidad para las condiciones sísmicas específicas de un edificio. Los acoplamientos flexibles para tuberías ranuradas variarán según:
- Diámetro de la tubería
- Presión máxima
- Separación máxima de la tubería (generalmente aumentando con el diámetro)
- Desviación angular máxima (típicamente disminuyendo con el diámetro)
- Carga final máxima
Estos acoplamientos mitigan el estrés del movimiento diferencial al permitir que las tuberías se flexionen con el edificio, moviéndose «diferencialmente con las secciones individuales del edificio al que [están] unidas» (NFPA 13: 18.2.1 ). Como NICET IV Certificado Técnico Superior en Ingeniería Steven Scandaliato explicó en una presentación para el Centro de Formación de Seguridad Humana, acoplamientos flexibles “estarán dispuestos para coincidir con separaciones estructurales dentro de un edificio.”
La Sección 18.2.1 de NFPA 13 requiere específicamente que las tuberías de 2.5 pulgadas y más grandes con extremos ranurados deben usar acoplamientos flexibles en ciertos escenarios de instalación identificados en la sección 18.2.3.1 . Esto significa que los elevadores de rociadores contra incendios , que son particularmente vulnerables al desplazamiento de pisos, necesitan acoplamientos flexibles.
La Sección 18.2.3.1 especifica que se deben instalar acoplamientos flexibles en las bandas en las siguientes ubicaciones:
- Dentro de las 24 pulgadas de la parte superior e inferior de cada elevador , con algunas excepciones para elevadores cortos
- Dentro de 12 pulgadas sobre el piso en edificios de varios pisos, con excepciones para techos
- Dentro de 24 pulgadas debajo del piso en edificios de varios pisos
- Dentro de las 12 pulgadas de la superficie de las paredes de concreto o mampostería , con excepciones hechas donde se proporciona un espacio libre adecuado
- A 24 pulgadas de las juntas de expansión del edificio.
Además de estas ubicaciones de los tubos ascendentes, NFPA 13 requiere acoplamientos de tubería flexibles en conexiones horizontales al tubo ascendente ( 18.2.3.2 ) y para tuberías de caída ( 18.2.4 ).
Los conjuntos de separación sísmica brindan flexibilidad multidireccional en los espacios de construcción
Cuando la tubería de rociadores contra incendios horizontales cruza huecos o juntas de estructuras de edificios, puede sufrir daños graves en un terremoto debido al movimiento diferencial de los edificios. Por esta razón, puede ser mejor construir cada ala de un edificio con su propio elevador.
Cuando esto no sea posible, es necesario un conjunto de separación sísmica aprobado , a veces llamado junta oscilante sísmica, para proporcionar suficiente flexibilidad en la construcción de juntas.
Cada acoplamiento ranurado flexible en un conjunto de separación sísmica proporciona flexibilidad angular y libertad de rotación. Las curvas del codo y la forma en V del conjunto permiten un desplazamiento longitudinal y lateral extremo de las tuberías que cruzan los espacios entre las estructuras. Fuente: Manual NFPA 13
Un tipo de ensamblaje de separación sísmica organiza acoplamientos flexibles en una serie con curvas de codo para combinar su capacidad de rotar y mantener la desviación angular. Tal conjunto protege las tuberías que cruzan un espacio entre las estructuras cuando las estructuras se mueven vertical, longitudinal o lateralmente en relación con la trayectoria de las tuberías.
Una alternativa al conjunto de separación sísmica reconocido por NFPA 13 (18.3.2) implica tuberías flexibles en lugar de acoplamientos flexibles. A veces llamado bucle sísmico, esta configuración tiene los mismos requisitos de flexibilidad que un conjunto de separación sísmica. Fuente: Manual NFPA 13
La Sección 18.3.1 de NFPA 13 establece: «Se debe instalar un conjunto de separación sísmica aprobado donde las tuberías de rociadores, independientemente de su tamaño, crucen las juntas de separación sísmica del edificio a nivel del suelo o por encima».
El Manual NFPA 13 (A.18.3) explica que la cantidad de movimiento permitido por el conjunto de separación debe «acomodar los movimientos diferenciales calculados durante los terremotos» o ser el doble de la distancia que separa los edificios.
La flexibilidad es solo uno de los métodos de diseño sísmico para proteger los sistemas de rociadores contra incendios
Los terremotos pueden causar daños graves a los equipos no estructurales, como los sistemas de rociadores contra incendios, lo que genera importantes pérdidas financieras y problemas de seguridad de la vida. La NFPA 13, informada por la ASCE, proporciona requisitos detallados y bastante estrictos para la protección de los sistemas de rociadores contra incendios de eventos sísmicos.
Durante los terremotos, el suelo (y los edificios en él) se mueven en tres dimensiones, y los componentes no estructurales, como los sistemas de rociadores, pueden sufrir daños por movimientos diferenciales y sacudidas. La instalación de acoplamientos flexibles para tuberías, dejando espacio libre alrededor de las tuberías y el uso de conjuntos de separación sísmica en las juntas de construcción, proporcionan a los tubos de rociadores la flexibilidad necesaria para evitar fallas.
Pero NFPA 13 también describe otra protección sísmica para los sistemas de rociadores contra incendios: arriostramiento sísmico y restricción , mediante el cual la unión firme de la tubería a los miembros estructurales evita que la tubería se dañe. Esto último lo trataremos en un artículo por separado.
