Durante un terremoto, las tuberías de los rociadores contra incendio pueden ser violentamente sacudidos, provocando roturas y la subsiguiente liberación de agua. Ante ello, es vital prepararse para que el impacto sea menor o, incluso, evitarlo
Por Dulce Negrete
La magnitud de un sismo depende de la energía liberada, epicentro y profundidad del fenómeno, así como de la intensidad en la superficie, principalmente, del tipo de subsuelo, del sistema constructivo y de la distancia con respecto al epicentro.
Miguel Carrillo, ingeniero Civil y director de Ventas para Latinoamérica en nVent, asevera que “dependiendo del tipo de construcción, los costos que se pierden en las instalaciones van del 65 al 80 % de la inversión. De acuerdo con las agencias de seguros, la falla de componentes no estructurales genera la mayor parte de las pérdidas económicas derivadas de los daños provocados por los sismos”.
Durante un terremoto, componentes no estructurales como las tuberías de los rociadores contra incendio pueden ser violentamente sacudidos, provocando roturas y la subsiguiente liberación de agua, lo cual puede dañar los techos o las salas blancas, los sistemas de depósito o suministro de agua y otros equipos cuya instalación no esté protegida correctamente. En este sentido, es vital prepararse para que el impacto sea menor o, incluso, evitarlo.
Con 13 años de experiencia en el mercado, el ingeniero Carrillo nos comparte en qué consiste la protección sísmica de acuerdo con las normas NFPA 13 2016 y FM 2-8 2017, sobre los componentes mínimos necesarios para llevar a cabo el diseño e instalación de estos elementos en los sistemas de rociadores automáticos contra incendio.
Los diseños para la fijación de las tuberías y los elementos de soportería tienen la finalidad de resistir el peso propio de la instalación; pero no proveen el control de esfuerzos derivados de las cargas adicionales que se presentan. Por ello, requieren de ensambles antisísmicos para disminuir los movimientos diferenciales.
En este aspecto, la rigidización del sistema consiste en controlar los esfuerzos y evitar que el sistema de tuberías oscile o se columpie si se presenta un sismo. Se trata de que el sistema se desplace tanto en sentido longitudinal como en sentido lateral con la estructura del edificio de forma ordenada.
También es elemental utilizar acoplamientos flexibles en las tuberías, localizando los puntos críticos donde es posible que haya movimientos diferenciales y mantener espacios libres entre las tuberías y las estructuras propias del edificio; de lo contrario, dicha interacción provocaría daño a la estructura y a la tubería. Las normas NFPA 13 y FM 2-8 reconocen los siguientes tipos de soportería sísmica:
Soportería sísmica lateral. Los soportes deben ser capaces de resistir tanto esfuerzos a tensión como compresión, protegiendo la tubería en ambas direcciones, lo cual se denomina soporte sísmico de dos vías, debido a que la tubería está colgada de la superficie y está conectada de manera lateral posterior a su suspensión en el edificio.
Para proteger la tubería que alimenta a los rociadores automáticos contra incendio cuando se desplaza en sentido perpendicular a su eje longitudinal, tanto NFPA 13 como FM 2-8 coinciden en que la protección lateral se debe proveer a todas aquellas tuberías principales de alimentación (feed main) y en tuberías principales transversales (cross main) sin importar cu.l sea su diámetro (sway bracing).
Asimismo, Carrillo advierte que, si la tubería es un ramal de rociadores, se le debe brindar protección sísmica lateral a partir de un diámetro de 2 1/2″ (65 mm) o mayor. Pero si aquellos ramales de rociadores son menores a 2 1/2″ de diámetro requieren soportería para restricción sísmica (branch line restraint).
Concretamente, la Ficha Técnica de FM 2-8 manifiesta que si se va a colocar protección sísmica lateral en ramales, ésta no debe estar a menos de 3 m ni a más de 12.20 m (40 ft) del cruce con la transversal de alimentación.
Un soporte lateral instalado a 60 cm (2 ft) o menos del eje central de otra tubería que cruce en forma perpendicular puede actuar como soporte longitudinal para esta última, siempre y cuando el diámetro de la tubería donde esté colocado el soporte lateral sea mayor o igual al de la tubería que cruza en forma perpendicular. La ubicación de la protección sísmica lateral debe ser no mayor de 1.80 m (6 ft) del final de ésta. Tanto en tuberías principales como en ramales debe existir un soporte sísmico lateral.
El representante de nVent menciona que la ubicación inicial puede no ser la definitiva, pues una vez que se hizo en plano puede modificarse la distancia. «Hay que ir uno por uno a verificar que la capacidad de carga de lo que pretendo colocar como ensamble de protección sísmica en cada punto va a ser suficiente para resistir los esfuerzos horizontales, considerando la primera limitante: 12.20 m de distancia máxima».
Cabe destacar que, para ambos estándares, en la longitud final de tuberías de alimentación y trasversales después del último ramal de rociadores debe haber protección sísmica. Respecto al espacio de los soportes, el primer soporte aparece colocado a no más de 1.80 m (6 ft) del final de la tubería como en el punto anterior; a partir de ahí, los subsecuentes deben estar máximo a 12.20 m (40 ft), verificando que las capacidades de carga de los componentes del soporte sísmico sean suficientes para resistir los esfuerzos horizontales correspondientes. NFPA 13 considera que para tuberías principales individuales, cuya longitud de suspensión medida del lecho superior de la tubería al punto de fijación a la estructura sea de 15 cm (6″) o menos, se pueden omitir los soportes para protección sísmica lateral a partir de que:
- 75 % de los arreglos de suspensión (los colgadores) cumplan la condición
- No haya arreglos de suspensión consecutivos que no cumplan la condición
- El coeficiente sísmico utilizado para ese proyecto no sea mayor a 0.5
- El diómetro de la tubería no exceda de 6˝ (150 mm) si es de alimentación y de 4˝ (100 mm) si es transversal
«El sistema ya es rígido per se, porque suponemos que la tubería está suficientemente cerca de la estructura y se van a mover de forma muy similar”, explica el ingeniero. En cuanto a los ramales, FM 2-8 especifica que todos los arreglos de suspensión deben cumplir con la condición. Por lo tanto, si en el tramo que se va a proteger hay un colgador que no cumple, el ramal de tubería necesitar. protección sísmica forzosamente.
Soportería sísmica longitudinal.Para ambos estándares la soportería es colocable en tuberías de alimentación y transversales, independientemente de su diámetro (sway bracing), siempre y cuando no se exceda de los últimos 12 m del final de la tubería principal. FM 2-8 subraya como necesaria la protección sísmica longitudinal para ramales de rociadores a partir del diámetro 2 1/2˝ (65 mm) con longitud superior a 12 m (40 ft). NFPA no ofrece ninguna indicación al respecto.
La colocación no debe ubicarse a menos de 6 m ni a más de 24 m del cruce con la transversal de alimentación. Cumplido todo lo anterior, los estándares también indican un espaciamiento máximo de no más de 12 m en el primer soporte longitudinal y de máximo 24 m (80 ft) en los subsiguientes. Nuevamente, como indica Carrillo, en la soportería sísmica lateral habrá que ir a hacer los cálculos correspondientes uno por uno para ratificar o modificar esa distancia según corresponda.
Igual que un soporte longitudinal, si éste se instala a 60 cm (2 ft) o menos del eje central de otra tubería que cruce en forma perpendicular puede actuar como soporte lateral para ésta, sólo si el diámetro de la tubería donde está colocado el soporte longitudinal es mayor o igual al de la tubería que cruza en forma perpendicular.
Soportería sólo a tensión. Además de considerar tensión y compresión, ambos estándares permiten que el elemento de rigidización exista sólo a tensión, siempre que venga de ambos lados de la tubería, ya sea en sentido lateral o longitudinal. El ingeniero Carrillo señala que se puede permitir el uso de sistemas de protección sísmica Sólo a Tensión con cable si éste está debidamente listado para dicho servicio, incluyendo instrucciones de montaje. Sin embargo, FM valida únicamente el uso de sistemas Sólo a Tensión con tubería, más no con cable.
Soportería sísmica para tubería vertical (risers). Denominado también soporte sísmico de 4 vías, dado que su función es proteger las tuberías verticales en 4 direcciones: hacia atrás, hacia adelante, hacia un lado y hacia el otro. Se compone de dos soportes laterales independientes ubicados en el mismo punto. Evidentemente, también necesita protección sísmica según el movimiento que se pueda generar en su plano de profundidad y su movimiento lateral. La práctica actual para ambos estándares es colocar juntos un par de soportes laterales; uno, sacado al lado de la estructura, y con ello crear el soporte sísmico de 4 vías. No obstante, tiene que ser un par de soportes independientes, no pueden tener una abrazadera en común ambos tubos de protección: cada uno tiene que ir independiente hacia el tubo de servicio.
De tubería vertical al sentido horizontal hay que colocar protección sísmica, la NFPA 13 establece un máximo de 90 cm (3 ft) del cambio de dirección, mientras que FM 2-8 considera que debe ser máximo a 60 cm (2 ft) del cambio de dirección. Una vez cubiertos los extremos o los cambios de dirección, los soportes subsiguientes se deben colocar con un espaciamiento, para NFPA 13, máximo de 7.60 m y, para FM, máximo a 12 m. Nuevamente, hay que hacer el cálculo de las fuerzas sísmicas para garantizar que lo que se va a colocar es adecuado y de no ser así reducir el espacio.
“Particularmente en los edificios que tienen varios niveles es importante colocar soportes de cuatro vías en los tramos de vertical en los niveles donde hay cambio hacia dirección horizontal. De esta manera cubrimos los requerimientos para ambos estándares para la protección sísmica lateral, longitudinal y vertical en tuberías principales, transversales y ramales de 2 1/2˝ o mayores”. Y agrega Carrillo: “los ramales de menos de 2 1/2˝ de diámetro requieren de soportería para restricción sísmica en sentido lateral (branch line restraint), que se entiende como una protección para evitar movimientos diferenciales, pero de menor grado”.
Consideraciones para soportería sísmica lateral y longitudinal
Cambios de dirección para soportería sísmica lateral y longitudinal. En aquellos tramos de tubería adyacentes a cambios de dirección de tuberías cuya longitud sea mayor a: 3.60 m (12 ft) o superiores, según NFPA 13, y 1.80 m (6 ft) o superiores para FM 2-8
Soportes laterales y longitudinales para protección de las tuberías adyacentes. FM 2-8 anexa que en los cambios de dirección se deben colocar a máximo 60 cm de éste. En caso de existir diferencia entre las dimensiones de los diámetros de las tuberías, los soportes deben colocarse en la de mayor diámetro y no excederse a más de 60 cm del cruce para poder colocarlos
Orientación en la colocación de los tubos de rigidización es elemental, tanto longitudinal como lateralmente. La gran mayoría de los sistemas de rociadores se van a suspender de una estructura superior, se debe rigidizar lo más horizontal posible. De acuerdo con NFPA 13 y FM 2-8, la tubería (cédula 40) debe tener una inclinación mínima de 30º medida desde la vertical, lo preferente es que se a 45º, lo ideal es 90º
Elemento de rigidización en el tubo cédula 40. Ambos estándares nos dan una guía de cómo prevenir el pandeo por compresión y seleccionar el tubo adecuado para que no corra ese riesgo. La relación de esbeltez está determinada por las condiciones geométricas y mecánicas del tubo y resulta de dividir la longitud de ese tubo entre su radio de giro, donde “l” es la longitud del tubo y “r” de giro del elemento del soporte. Para FM 2-8 puede ser de 100 o 200, NFPA va hasta 300. Una vez seleccionada la relación de esbeltez a utilizar, dependiendo del diámetro del tubo de rigidización, hay una longitud máxima que puede tener para respetar ese valor de relación de esbeltez y cuál es su capacidad máxima dependiendo del ángulo al que esté colocado
Fuente: nVent
Cálculos para determinar la soportería sísmica
Una vez hecha la selección de soportería que más conviene al proyecto, es necesario hacer un cálculo de las fuerzas sísmicas a las que se someterá cada uno de los elementos que conformen el ensamble antisísmico: el coeficiente sísmico, la fuerza horizontal y las fuerzas de reacción vertical.
Coeficiente sísmico. Respecto al coeficiente sísmico, NFPA 13 señala que se debe conseguir el valor científico, es decir, la aceleración espectral de periodo corto (Ss), la cual se refiere a la manera en que se acelera una masa por efecto de un sismo y del movimiento que le transmite el suelo en ese lugar donde se est. manifestando dicho sismo.
Propiamente, aclara Carillo, una masa de gran tamaño, como puede ser un edificio, tiene una aceleración espectral a partir de 1 s o superior. Este es el tiempo que le toma al edificio ir y regresar a su posición por efecto del movimiento sísmico. Para masas inferiores, como un sistema de rociadores automáticos, se presentan aceleraciones espectrales de periodo corto de bastante menos de 1 s. Entonces, habrá que acercarse al estructurista del proyecto. Dependiendo de cuál sea el valor proporcionado, se recurre a la NFPA 13 para rastrear el coeficiente sísmico a utilizar para el cálculo de la fuerza sísmica. De no conseguirse el dato de la aceleración espectral del período corto, el coeficiente sísmico puede ser 0.50″.
Fuerza horizontal. La revisión de la fuerza horizontal máxima se va a presentar multiplicando el peso de las tuberías llenas de agua e incremento del 15 % por el coeficiente sísmico. Explica el representante de nVent: “Es un proceso. Lo primero que debo hacer con el valor de esa fuerza, en caso de que esté diseñando un soporte lateral, es revisar que no exceda los valores máximos permisibles para ambos estándares, los cuales están establecidos por tabuladores, uno por cada tipo de tubería, por cada material con que está fabricada”. La fórmula para el cálculo es la siguiente:
F= W * C
(Donde F = Fuerza horizontal W = Valor del peso de las tuberías llenas e incremento del 15 % C = Coeficiente sísmico expresado en % de la fuerza de gravedad, según la ubicación geográfica del proyecto)
Añade que, “conociendo el diámetro de la tubería y el espaciamiento entre los soportes laterales proyectado, se puede determinar la fuerza horizontal máxima del tabulador y compararla con la fuerza que calculamos. Si la fuerza se excede, tenemos que reducir la distancia inclusive antes de seleccionar cualquier componente que sea capaz de resistir esa fuerza; si ésta se excede de ese tabulador, hay que reducir la distancia para bajar el peso y reducir la fuerza”.
Fuerzas de reacción vertical. Otro punto a revisar por ambos estándares es que la tubería de protección está colocada de forma inclinada e invariablemente va a producir fuerzas de reacción vertical por efecto del sismo. Para evitar que sean éstas las que colapsen el sistema, su propósito es en sentido lateral. NFPA 13 toma en cuenta que hay que tener en mente las fuerzas de reacción vertical en aquellos proyectos donde el coeficiente sísmico sea superior a 0.5 y el ángulo de inclinación del tubo sea menor a 45. ( C> 0.5 y ∢ < a 45º). Por otro lado, si dicho coeficiente es mayor a 1 y el ángulo es menor a 60º, también debo considerarlas (C> 1.0 y ∢ < a 60º). Para FM 2-8 las fuerzas de reacción vertical son igual a la fuerza horizontal dividida entre la tangente del ángulo menos la mitad del peso. Si ese valor es mayor a 0, entonces hay que tenerlas presentes (Fv= (F/ tan ∢)- 0.5 W).
Las fuerzas sísmicas a las que se someterá cada uno de los elementos que conforman el ensamble o soportería sísmica debe tener una carga superior a esas fuerzas que se van a presentar para poder mantener las distancias indicadas según NFPA 13 y FM 2-8, pues son estos los que dan el norte sobre la calidad de los productos que fabricantes como nVent ofrecen en el mercado.
En este mismo orden, “nosotros como fabricantes –puntualiza el ingeniero y directivo de nVent– señalamos a través del Certificate of Compliance de FM Approvals y el Improved Certifications Search Tool de Underwriters Laboratories, que los dispositivos que se van usar para conectar el tubo de rigidización a la estructura con tubería de servicio han sido aprobados y listados por ambos laboratorios para entregarle certeza a nuestros clientes”.
