¿Por qué los códigos de construcción e incendios requieren un diseño sísmico?
En áreas propensas a terremotos, los códigos de construcción exigen construcciones sísmicas especiales para casos específicos. elementos estructurales de edificios, como vigas y muros de carga. Las razones de esto son evidentes: no queremos que los edificios se derrumben durante los terremotos, y sus componentes clave, como las vigas y las columnas, deben poder resistir los temblores.
Los códigos modelo de construcción y de incendios también exigen salvaguardas sísmicas para elementos no estructurales, sin embargo, sistemas y componentes dentro de un edificio que realizan funciones básicas. Los elementos no estructurales incluyen sistemas mecánicos, eléctricos, de plomería, HVAC y de rociadores contra incendios.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) es la principal autoridad en esta área. Su código de modelo, ASCE 7: Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras informa el Código Internacional de Construcción (IBC) y la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) documentos 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 que estos sistemas vuelvan a estar en línea y presenta un riesgo grave para la seguridad de la vida. Esto último es especialmente preocupante, dada la mayor probabilidad de incendios después de un terremoto.
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Los terremotos históricos ilustran el gasto y el peligro que representan los eventos sísmicos para los sistemas de protección contra incendios.
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 de 1994 (un fuerte evento de magnitud 6,8), el 74 % de las instalaciones encuestadas «en áreas de mayor movimiento del suelo… con sistemas de rociadores inadecuadamente reforzados experimentaron fugas o fallas en los 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. Según 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 mismo.
Los rociadores contra incendios 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 de 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.
Consulte nuestros blogs anteriores para comprender los tipos y las consecuencias de las deficiencias de los rociadores contra incendios y para aprenda lo que implica reemplazar los rociadores contra incendios dañados.
Los riesgos de incendio después de los eventos sísmicos son elevados
Dejando de lado las consideraciones financieras, los sistemas de protección contra incendios son especialmente cruciales durante y después de los terremotos. como el Revista NFPA explica, los incendios pueden volverse más frecuentes debido a cables expuestos, arcos eléctricos, fugas de gas y otros derrames de combustible que crean un riesgo elevado de incendio.
Después del terremoto de Northridge CA, hubo más de 14.000 fugas de gas natural y 110 incendios, según FM Global. El terremoto de San Francisco de 1906, uno de los peores desastres naturales en la historia de los Estados Unidos, provocó 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 cuenten con las protecciones sísmicas que les permitan funcionar según lo previsto.
¿Dónde se necesita el diseño sísmico? ¿Y cuánto soporte sísmico se requiere para las tuberías?
Los terremotos no ocurren en todas partes, por supuesto, y no todos los terremotos son iguales. No hay necesidad de diseñar edificios que nunca experimentarán terremotos al mismo nivel que un rascacielos construido cerca de una línea de falla. Entonces, ¿qué edificios necesitan protección sísmica y cuánta? En una palabra:
- A cada edificio se le asigna un categoría de diseño sísmico (SDC), que representa la gravedad probable de un terremoto y el peligro que representa para la vida humana.
- COSUDE rango de A a Fsiendo F el más grave.
- Las autoridades locales y las leyes locales determinan cómo deben protegerse los sistemas de rociadores contra incendios contra los terremotos, basado en gran medida en estos COSUDE.
La ASCE es la autoridad para determinar la categoría de diseño sísmico (SDC) de un edificio y los componentes dentro de él. NFPA e IBC siguen el ejemplo de ASCE y su código modelo ASCE 7, y las autoridades competentes (AHJ) comúnmente usan ASCE 7 para determinar cuándo y cuánta protección sísmica es necesaria para los elementos no estructurales. NFPA 13 no determina cuando la protección sísmica es necesaria para los rociadores contra incendios; simplemente dice cómo Se debe implementar 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 sísmicoa menudo determinado por mapas de riesgo sísmico del Servicio Geológico de EE. UU. (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 planteado por 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 riesgo sísmico publicados por el USGS brindan información sobre la probabilidad y la fuerza de los terremotos. Estos mapas muestran información como la aceleración máxima de posibles terremotos con las probabilidades de que se superen durante ciertos períodos. Esta información, en combinación con la categoría de ocupación, informa la determinación de la categoría de diseño sísmico, que va de la A a la F.
La categoría A tiene la menor preocupación por terremotos. La categoría F, que requiere la más estricta protección sísmica, está reservada para Edificios de categoría IV de ocupación cerca de fallas activas importantes. Tenga en cuenta que la información, como la aceleración del período de un terremoto potencial que proporcionan 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 del 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 incluirse 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 estar provistos de restricción sísmica». Para las categorías D a F, se hacen recomendaciones más estrictas, incluso que los componentes de seguridad humana puedan funcionar después de un terremoto.
Cómo el diseño sísmico previene los daños causados por terremotos
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 ondas—ondas P y ondas S— seguir la estela de un terremoto, causando sacudidas, dobleces y torsiones.
- Componentes flexibles reducir el estrés durante un evento sísmico al permitir que los sistemas de rociadores se muevan o se doblen en lugares específicos. Arriostramiento sísmico restringe 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. Nuestro artículo sobre diseño sísmico para rociadores contra incendios detalla más la tecnología de arriostramiento sísmico. Y nuestro artículo sobre los requisitos de arriostramiento sísmico de NFPA 13 analiza detalladamente los requisitos del código y las técnicas de instalación involucradas en el arriostramiento sísmico.
Una combinación de rigidez y flexibilidad protege mejor los sistemas de rociadores contra daños por terremotos
Los terremotos son causados por deslizamientos repentinos de la corteza terrestre. Cuando ocurre este movimiento, las ondas viajan a través de la tierra. Los terremotos producen dos tipos de ondas: ondas P y ondas S.
ondas Pu ondas primarias, son como ondas de sonido en que son compresivo. A medida que se mueven por el suelo, comprimen y expanden alternativamente las partículas del 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 terrestre, las ondas P tienden a causar mucho menos daño.
ondas S, u ondas secundarias, causan la mayoría de los daños causados por terremotos. 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 sobre ella, en tres dimensiones: arriba y abajo, de lado a lado y de adelante hacia atrás.
Las medidas de diseño sísmico tienen en cuenta las ondas secundarias variables. El Instituto Internacional de Gestión de Riesgos identifica dos formas principales en que los terremotos dañan los elementos no estructurales: efectos de inercia (es decir, temblando) 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 de inercia y las distorsiones de dos maneras:
- Incorporado flexibilidad minimiza la tensión ejercida sobre los sistemas de rociadores contra incendios por el movimiento diferencial de los elementos estructurales.
- Adicional vigorizante y las restricciones 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.
Soporte sísmico para tuberías: Flexibilidad y 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 moverse 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. Daña los sistemas de rociadores contra incendios al aplicar esfuerzo de torsiónhaciendo que las tuberías golpe en elementos estructurales y tubería de derivación separación.
Una de las causas del movimiento diferencial es desplazamiento de la historia. 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, lo que hace que el edificio se balancee.
Por lo tanto, los elementos no estructurales, como los ductos ascendentes de rociadores contra incendios que se extienden verticalmente a través de un edificio, pueden sufrir daños por el movimiento diferencial del desplazamiento del piso.
Otra fuente de daño a los sistemas de rociadores contra incendios es la 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 estructuras de eventos sísmicos (en cuyo caso pueden denominarse juntas sísmicas o brechas sísmicas).
En cualquier caso, se puede esperar que los edificios o las alas a ambos lados de un espacio se muevan diferencialmente durante un terremoto. Como explica FEMA, los daños causados por terremotos a componentes no estructurales en brechas sísmicas es muy común. Con cada estructura moviéndose independientemente en tres dimensiones, la tubería de rociadores contra incendios que cruza dicho espacio puede separarse, aplastarse, golpearse contra miembros estructurales adyacentes o romperse.
El amplio espacio libre evita que la tubería de los rociadores contra incendios golpee los elementos estructurales
Los requisitos de espacio libre sísmico varían según el tamaño de la tubería
Las tuberías a menudo deben pasar a través de elementos como vigas, techos, pisos y paredes. Donde no se espera que se mueva como una unidad con el elemento por el que pasa, la sección 18.4 de la edición 2019 de NFPA 13 requiere espacio libre suficiente alrededor de la tubería para evitar golpes durante el movimiento diferencial.
Sección 18.4.2 detalla los requisitos de tamaño para los orificios de paso, especificando que:
- Se debe proporcionar un espacio libre de 2 pulgadas (nominal) alrededor de la tubería con un diámetro nominal de 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 más.
Sección 18.4.3 explica que el espacio libre proporcionado por un manguito de tubería debe usar estas mismas dimensiones.
Según el tipo de tubería o la construcción de los materiales vecinos, es posible que no se requieran orificios más grandes
La liquidación es no requerido donde 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 vigas que forman una sola pared o piso/techo (4.6)
- Cuando se utilizan tuberías no metálicas que tienen una flexibilidad igual o mayor que los acoplamientos flexibles que se instalan 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 ingeniería y seguridad contra incendios para garantizar que se permita suficiente espacio libre donde la tubería pasa a través de los miembros estructurales. Y la creación de espacio libre no debe comprometer la integridad del miembro estructural.
Además, como sección 18.4.8 de NFPA 13 indica que el código de construcción puede requerir que las penetraciones de tuberías se sellen con material flexible para detener el fuego.
También tenga en cuenta que, por 18.4.11, los rociadores deben estar al menos a 3 pulgadas de los miembros estructurales (excluyendo aquellos que soportan los rociadores). Este requisito puede dificultar la instalación de rociadores en los techos, pero el problema se puede resolver utilizando caídas flexibles de rociadores contra incendios en lugar de armaduras rígidas.
Los acoplamientos flexibles reducen los daños causados por el movimiento diferencial
La flexión controlada puede prevenir daños y brindar soporte sísmico a las tuberías
Los acoplamientos flexibles para tuberías 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 el desplazamiento axial, la rotación y al menos 1 grado de movimiento angular de la tubería sin inducir daño a la tubería. Para diámetros de tubería de 8 pulgadas (200 mm) y mayores, se permite que el movimiento angular sea menor de 1 grado pero no menor de 0,5 grados.
Los acoplamientos flexibles para tuberías ranuradas funcionan según el mismo principio básico que los rígidos. acoplamientos ranurados: 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.
Las tuberías ranuradas de 2 1/2” o más de diámetro, 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 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
- Clasificación de presión máxima
- Separación máxima de tuberías (normalmente aumenta con el diámetro)
- Desviación angular máxima (típicamente decreciente con el diámetro)
- Carga final máxima
Estos acoplamientos mitigan la tensión del movimiento diferencial al permitir que las tuberías se flexionen con el edificio, moviéndose «de manera diferente con las secciones individuales del edificio a las que se unen». [they are] adjunto.» (NFPA 13: 18.2.1). Como explicó Steven Scandaliato, técnico sénior certificado en ingeniería de NICET IV, en una presentación para el Centro para la educación en seguridad humana, los acoplamientos flexibles «deben estar dispuestos para coincidir con las separaciones estructurales dentro de un edificio».
Sección 18.2.1 de NFPA 13 requiere específicamente que las tuberías de 2,5 pulgadas y más grandes con extremos ranurados utilicen acoplamientos flexibles en ciertos escenarios de instalación identificado en la sección 18.2.3.1. Esto significa que el elevadores de rociadores contra incendiosque son particularmente vulnerables al desplazamiento del piso, necesitan acoplamientos flexibles.
Sección 18.2.3.1 especifica que los acoplamientos flexibles deben instalarse en los elevadores en las siguientes ubicaciones:
- Dentro de las 24 pulgadas de la parte superior e inferior de cada elevadorcon algunas excepciones para contrahuellas cortas
- Dentro de 12 pulgadas sobre el piso en edificios de varios pisos, con excepción de los techos
- Dentro de 24 pulgadas por debajo el piso en edificios de varios pisos
- Dentro de las 12 pulgadas de la superficie de las paredes de concreto o mamposteríacon excepciones hechas donde se proporciona espacio libre adecuado
- Dentro de las 24 pulgadas de las juntas de expansión del edificio.
Además de estas ubicaciones de tubería ascendente, NFPA 13 requiere acoplamientos de tubería flexibles en conexiones horizontales con la tubería ascendente (18.2.3.2) y para bajantes (18.2.4).
Los conjuntos de separación sísmica brindan flexibilidad multidireccional en los espacios de construcción
Cuando la tubería horizontal de rociadores contra incendios cruza espacios 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 propia contrahuella.
Cuando esto no sea posible, un aprobado montaje de separación sísmicaa veces llamada junta articulada sísmica, es necesaria para proporcionar suficiente flexibilidad en las juntas de construcción.
Un tipo de ensamblaje de separación sísmica dispone acoplamientos flexibles en serie con curvas de codo para combinar su capacidad de girar y sostener la deflexión angular. Dicho conjunto protege la tubería que cruza un espacio entre estructuras cuando las estructuras se mueven vertical, longitudinal o lateralmente con respecto a la trayectoria de las tuberías.
Sección 18.3.1 de NFPA 13 establece: “Se debe instalar un conjunto de separación sísmica aprobado donde las tuberías de rociadores, independientemente del tamaño, crucen las juntas de separación sísmica del edificio al nivel del suelo o por encima”.
Él Manual NFPA 13 (A.18.3) explica que la cantidad de movimiento permitido por el conjunto de separación debe “acomodar movimientos diferenciales calculados durante 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 pérdidas financieras significativas y preocupaciones sobre la seguridad de las personas. NFPA 13, informado por ASCE, proporciona requisitos detallados y bastante estrictos para la protección de los sistemas de rociadores contra incendios contra eventos sísmicos.
Durante los terremotos, el suelo (y los edificios sobre 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 de tubería flexibles, dejando espacio libre alrededor de las tuberías y el uso de conjuntos de separación sísmica en las juntas de construcción proporciona a la tubería de rociadores la flexibilidad necesarios para evitar el fracaso.
Pero NFPA 13 también describe otra protección sísmica para los sistemas de rociadores contra incendios: arriostramiento y sujeción sísmica por lo que el fijación firme de la tubería a los miembros estructurales evita que la tubería se dañe. Lea nuestro artículo Diseño sísmico para rociadores contra incendios, que explica los principios y tecnologías detrás del arriostramiento sísmico.
También tenemos conjuntos de caída de rociadores flexibles para darle a su sistema la flexibilidad que necesita en todos los lugares correctos, y los acoplamientos flexibles ranurados están disponibles por pedido especial. Simplemente o envíenos un correo electrónico.