Refuerzos sísmicos para ductos, HVAC y sistemas eléctricos

Protección de los componentes no estructurales del daño del terremoto

En áreas propensas a terremotos, el diseño y la ingeniería adecuados aseguran que los edificios permanezcan estructuralmente sólidos durante un evento sísmico. Pero los terremotos dañan más que pilares y vigas, por lo que es importante proteger la estructura de un edificio. componentes no estructurales, incluidos los sistemas mecánicos, eléctricos, de plomería y de protección contra incendios (a veces abreviado MEP-F). La protección sísmica de los ductos, la plomería y otras infraestructuras es esencial tanto por razones financieras como de seguridad humana.

🥇IO Technology S.A.C explicó los requisitos del código y las tecnologías involucradas en la protección sísmica de los sistemas de rociadores contra incendios en nuestra serie reciente. En este artículo, profundizamos en los problemas de protección sísmica, las tecnologías y algunos requisitos del código para los elementos MEP-F, que incluyen:

El daño no estructural del terremoto tiene consecuencias financieras y de seguridad de vida

Pérdidas financieras y daños no estructurales

La infraestructura dañada tiene costos financieros de tres maneras: los gastos de reparación del equipo, la limpieza del daño y la función perdida del edificio. Especialmente en un edificio industrial, el costo de reemplazar HVAC, plomería y otras tuberías, sistemas eléctricos y sistemas de rociadores contra incendios puede exceder el costo de toda la estructura.

El daño secundario por sí solo (daños por agua debido a tuberías rotas, derrames de productos químicos, un incendio causado por cables expuestos y tuberías de gas natural rotas, etc.) puede crear un enorme impacto financiero. Y los elementos no estructurales rotos pueden hacer que el edificio sea completamente inútil. Sin plomería, ventilación, electricidad y protección contra incendios, es difícil hacer cualquier trabajo. Y la autoridad competente (AHJ) puede cerrar el edificio al hacer cumplir los códigos de construcción y seguridad humana.

Inquietudes sobre la seguridad de la vida y elementos no estructurales

Los daños causados ​​por terremotos a los componentes del MEP-F también amenazan la seguridad. El mayor riesgo de incendio (causado por equipos eléctricos rotos o tuberías de gas rotas) combinado con sistemas de extinción de incendios que no funcionan es un ejemplo de esto. El equipo pesado no asegurado, por ejemplo, un ventilador en los ductos, puede caerse, creando otro peligro importante. Incluso HVAC puede ser esencial para la seguridad de la vida, como cuando se necesita para eliminar el humo o proporcionar ventilación en el hospital. Los sistemas de tuberías pueden transportar materiales peligrosos y la falla de la contención es especialmente peligrosa.

¿Cuándo necesitan protección sísmica los sistemas HVAC, eléctricos y de tuberías?

Sobre el tema de la protección sísmica, los códigos de construcción y las organizaciones de gestión de emergencias, en particular, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) y el Código Internacional de Construcción (IBC) remiten a una autoridad:la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE). estándar de ASCE, Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras (ASCE 7, edición 2010), da instrucciones para la protección sísmica de elementos no estructurales.

Un área donde ASCE 7 establece el estándar es determinar cuando una estructura y su infraestructura necesitan protecciones sísmicas. Obviamente, no todos los edificios necesitan estar protegidos de los terremotos.

Categorías de diseño sísmico

ASCE 7 agrupa los edificios (y sus elementos no estructurales) en categorías de diseño sísmico (SDC). Estas categorías van de la A a la F (A tiene la menor preocupación y F la mayor) y tienen en cuenta aceleración anticipada del suelo (obtenido de los mapas del Servicio Geológico de EE. UU.) y categoría de ocupación. La categoría de ocupación va de I a IV y describe, en orden ascendente, el riesgo para la vida humana en caso de falla de una estructura. Los edificios de categoría IV ofrecen servicios de emergencia (policía, bomberos y médicos) y requieren la mayor protección porque deben permanecer operativos después de un terremoto.

No debería necesitar buscar la aceleración del suelo anticipada, la categoría de ocupación o la categoría de diseño sísmico de su edificio. Es probable que estos valores estén disponibles en sus planes de ingeniería o de la autoridad competente (AHJ; a menudo, el departamento de construcción local).

Determinar cuándo se necesitan protecciones sísmicas depende en última instancia de la AHJ. de FEMA Disposiciones sísmicas recomendadas para nuevos edificios y otras estructuras (FEMA P-749) ofrece alguna orientación, sin embargo: «Los componentes críticos no estructurales deben contar con restricción sísmica» para edificios en categoría de diseño sísmico C. Para categorías D a Fse hacen recomendaciones más estrictas, incluyendo que los componentes esenciales de seguridad humana puedan funcionar después de un terremoto.

factor de importancia

ASCE también asigna factores de importancia (I_p) a diferentes equipos. En pocas palabras, el factor de importancia refleja cuán grave sería la falla de ese equipo. Los equipos HVAC diseñados para eliminar el humo, los generadores de respaldo en un hospital y las tuberías que transportan materiales peligrosos tendrían factores de mayor importancia. La tubería de plomería normal en un edificio de Categoría IV también tendría un factor de gran importancia ya que la estructura necesitará un suministro de agua para permanecer operativa.

En los cálculos de carga, el factor de importancia actúa como un multiplicador, lo que requiere una mayor protección a medida que aumenta el valor. El factor de importancia también influye en si un equipo específico necesita protección sísmica.

Tecnologías para ductos, tuberías y otros equipos de arriostramiento sísmico

El propósito central del arriostramiento sísmico es restringir agitación horizontal de un terremoto. Todos los refuerzos sísmicos firmemente adjunte el equipo a los miembros estructurales de un edificio para que moverse con la estructura durante un terremoto. Esto evita que el equipo vuelque, se caiga de donde está suspendido o choque con otros objetos.

Las riostras sísmicas deben poder soportar y resistir las fuerzas sísmicas esperadas en su área. La magnitud de las fuerzas sísmicas (en otras palabras, cuánto se sacudirá el equipo) depende de dos cosas. Recuerda la fórmula F=ma; ¿La fuerza es igual a la masa por la aceleración?

El equipo experimenta una fuerza mayor cuanto más pesay cuanto mayor sea la aceleración del suelo. Sin embargo, determinar el peso funcional y la aceleración del suelo es más fácil decirlo que hacerlo. ASCE 7 da instrucciones detalladas y coeficientes para los cálculos. Todos los componentes (material de arriostramiento, herrajes, la estructura y el equipo en sí) deben poder resistir estas fuerzas sísmicas.

En lo que respecta a la estrategia de arriostramiento sísmico, el equipo MEP-F encaja en dos categorías generales: Equipamiento pesado y ductos. La estrategia para reforzar los equipos en cualquiera de estas categorías es básicamente la misma, ya sean componentes eléctricos, de tuberías o HVAC.

Refuerzo sísmico HVAC, electricidad y otros equipos pesados

Los sistemas eléctricos y HVAC industriales son expansivos e involucran algunos equipos grandes y pesados. Ejemplos incluyen:

• Compresores
• Unidades de tratamiento de aire
• Calderas
• Hornos
• Aficionados
• Generadores
• Gabinetes de computadora

ASCE 7 requiere «componentes mecánicos» (que incluye la mayoría de los equipos HVAC) con un I_p mayor que 1.0 estar asegurado contra fuerzas sísmicas (sección 13.6.3). Hace los mismos requisitos para los equipos eléctricos (sección 13.6.4).

En la práctica, esto significa asegurarlos a miembros estructurales para que no se puedan mover. como de FEMA Instalación de restricciones sísmicas para equipos mecánicos (FEMA 412) y Instalación de restricciones sísmicas para equipos eléctricos (FEMA 413), los equipos pesados ​​como este se pueden instalar de varias maneras, entre ellas:

• Montaje rígido en el suelo o una almohadilla
• montaje en techo
• Montaje en pared
• Suspensión del techo

En un terremoto, el equipo colocado sobre una superficie (no importa cuán pesado sea) puede temblar, tambalearse y volcarse. Los colgadores para equipos suspendidos pueden experimentar una tensión significativa durante un terremoto debido a las sacudidas, y el equipo mismo puede deformarse, chocar con otros objetos o caerse de su punto de montaje. Para evitar daños, al asegurando que el equipo se mueve con el edificio durante un terremoto y no puede moverse ni volcarse; es necesario un refuerzo sísmico. Como explican FEMA 412 y FEMA 413, esto puede implicar:

• Empernado de equipos directamente a miembros estructurales
• Uso de perfiles de acero para fijar equipos a la estructura, o
• Uso de parachoques para evitar que el equipo se mueva (cuando no hay riesgo de que el equipo vuelque.

Los sistemas de aislamiento de vibraciones también se pueden usar para amortiguar los efectos de las sacudidas en el equipo. Estos comúnmente toman la forma de resortes de alta resistencia.

Los ductos necesitan conjuntos de arriostramiento sísmico

Los ductos, incluidos los ductos HVAC, las tuberías y los ductos eléctricos y las canalizaciones, también pueden requerir refuerzos sísmicos. ASCE 7 dice que:

• Los ductos de HVAC necesitan refuerzos cuando el conducto tiene una sección transversal de 6 pies o más grande o cuando pesa más de 17 libras por pie linealo cuando tiene un I_p=1.5.
• Las canalizaciones eléctricas necesitan arriostramiento cuando están Tamaño comercial de 5″ o más grande. Además, todos canalizaciones apoyadas en trapecio que pesan 10 libras por pie lineal o más necesitan aparatos ortopédicos. Componentes eléctricos con I_p>1.0 necesitan protección sísmica.
• Como explicaremos más adelante, los sistemas de tuberías que no son de rociadores pueden o no necesitar refuerzos, dependiendo de si están sistemas de alta presión o transmitir materiales peligrosos.

Cualquier sistema, ya sea que cumpla con estos requisitos específicos o no, necesita arriostramiento sísmico en edificios de Categoría de Ocupación IV, donde la falla de un sistema inutiliza el edificio.

Cuando los ductos, los ductos eléctricos y las tuberías se cuelgan del techo (ya sea con varillas o soportes trapezoidales), se utilizan refuerzos sísmicos para resistir las fuerzas horizontales. El arriostramiento protege el equipo y sus soportes colgantes (a menudo varillas roscadas o soportes trapezoidales) de sacudidas laterales (perpendiculares al recorrido del conducto) y longitudinales (paralelas al recorrido del conducto).

El arriostramiento sísmico en estos casos consiste en abrazaderas de cable basadas en tensión o tirantes rígidos de acero.

Tirantes sísmicos de cable unir parte del sistema de ductos a un miembro estructural. Para resistir el movimiento en dos direcciones, se necesitan abrazaderas de cables opuestos.

Tirantes rígidos de acero realizan el mismo trabajo que las abrazaderas de cable, pero solo se necesita una longitud de acero. Sin embargo, los aparatos ortopédicos rígidos tienen una longitud limitada y no caben en ciertas áreas y configuraciones. Por lo tanto, las abrazaderas de cable son una opción mucho más flexible, ya que se pueden usar en casi cualquier lugar. FEMA 412 también muestra cables y refuerzos rígidos utilizados junto con refuerzos de varilla y sistemas de aislamiento de vibraciones.

Puede obtener información sobre los principios y las tecnologías del arriostramiento sísmico en nuestro artículo sobre arriostramiento para sistemas de rociadores contra incendios. Para obtener más información sobre consideraciones de diseño específicas (incluidos los cálculos de carga) para el arriostramiento sísmico, consulte nuestro otro blog sobre el tema. Sin embargo, tenga en cuenta que los requisitos y cálculos específicos para los sistemas de rociadores contra incendios los dicta la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA); otros sistemas tienen requisitos diferentes y normas.

Una nota sobre la flexibilidad

El arriostramiento sísmico no es el único elemento del diseño sísmico. Cuando diferentes pisos o alas de un edificio (o dos edificios independientes con servicios públicos compartidos) se mueven diferencialmente (relativos entre sí)puede causar daños a los materiales del conducto que pasan a través de las juntas. El mismo problema puede surgir cuando un equipo, por ejemplo, una caldera o un ventilador, se sujeta a la estructura. Materiales de ductos (tuberías, ductos, etc.) conectados a ese equipo puede experimentar estrés por este movimiento diferencial.

En cualquiera de estos casos, flexible el diseño puede ser necesario. Las técnicas de diseño flexible para todo tipo de equipos MEP-F están fuera del alcance de este artículo, pero puede leer más sobre los principios en nuestro artículo sobre protecciones flexibles para tuberías de rociadores contra incendios.

Consideraciones especiales para arriostramiento MEP

HVAC, los sistemas eléctricos y las tuberías tienen desafíos únicos que deben tenerse en cuenta al diseñar protecciones sísmicas.

Sistemas HVAC de arriostramiento sísmico: Consideraciones para equipos en línea con ductos

En su mayor parte, los equipos pesados ​​de HVAC y los ductos son equipos distintos, aunque vinculados. Sin embargo, los ductos se pueden conectar a equipo pesado en linea (ventiladores, humidificadores, etc.). ASCE 7 (sección 13.6.7) exige que los equipos que pesen 75 libras o más y que se instalen en línea con los ductos estén reforzados lateralmente independientemente de los ductos. En otras palabras, dicho equipo necesita refuerzos dedicados: los refuerzos de ductos no pueden cumplir una función doble.

Sistemas eléctricos de arriostramiento sísmico: Consideraciones para equipo pesado

Componentes eléctricos con I_p factor mayor que 1.0 debe estar protegido contra fuerzas sísmicas, según ASCE 7 (sección 13.6.4). El equipo eléctrico pesado, como muestra FEMA 412, se puede asegurar contra el movimiento de la misma manera que se puede asegurar el equipo HVAC. Sin embargo, ASCE 7 (sección 13.6.4) menciona algunas protecciones especiales necesarias para los equipos eléctricos, incluidas las siguientes:

• Las baterías en los bastidores necesitan restricciones envolventes para evitar que se caigan
• Los cajones y otros mecanismos deslizantes deben estar cerrados
• Las bobinas internas en los transformadores de tipo seco deben estar aseguradas a su estructura de soporte.

Arriostramiento sísmico para tuberías: Consideraciones para diferentes tipos de tuberías

Las redes de tuberías pueden requerir protección sísmica. Además del agua, las tuberías transportan muchas sustancias por los edificios, especialmente en entornos industriales y sanitarios. Estas sustancias pueden estar bajo alta presión (15 libras por pulgada cuadrada o más) o no bajo alta presión (menos de 15 psi). También pueden transportar o no materiales peligrosos (tóxicos, inflamables, explosivos, etc.) que requieren contención.

Como lo explica Reducción de los riesgos de daños no estructurales por terremoto: una guía práctica (FEMA E-74), Tubería de materiales peligrosos posee I_p=1.5 y requiere protección sísmica. Las tuberías de presión requieren refuerzos.

La falla de las tuberías sin presión y sin HAZMAT amenaza principalmente la propiedad, por lo que puede estar exento de los requisitos de protección sísmica, pero no necesariamente. Un caso en el que las tuberías sin presión necesitan protección son las tuberías en edificios de Categoría de Ocupación IV, donde la falla de las líneas de agua, por ejemplo, inutiliza el edificio.

Arriostramiento sísmico para componentes de tuberías pesadas

Las principales complicaciones en la aplicación de abrazaderas a la tubería son bombas en linea y válvulas (como válvulas grandes de hierro fundido) en sistemas de alta presión. Estos componentes pueden ser muy pesados ​​y FEMA E-74 establece algunos requisitos especiales para su protección:

• Cálculos de carga para bombas en línea suspendidas debe realizarse con coeficientes ASCE 7 para bombas, no para tuberías.
• Bombas suspendidas en línea debe colgarse independientemente de la tubería.
• Zapatillas debe tener su propio arriostramiento sísmico. La única excepción a esta regla es si las bombas tienen menos de 20 libras de peso operativo y la tubería tiene I_p=1.0.
• Válvulas de más de 20 libras debe tener arriostramiento sísmico individual.
• Válvulas de menos de 20 libras debe tener su propio arriostramiento sísmico a menos que la tubería tenga I_p=1.0.

El arriostramiento sísmico para ductos, equipos HVAC pesados, sistemas eléctricos y tuberías es complicado

Los sistemas de HVAC, eléctricos y de tuberías pueden necesitar protección sísmica si un edificio se encuentra en una categoría específica de diseño sísmico y ASCE asigna al equipo un factor de importancia alta (Ip). el fracaso de estos sistemas en un terremoto pueden significar enormes costos financieros, sin mencionar la pérdida de vidas. Los fundamentos de la protección sísmica son simples:

• Cuando algo no debe moverse, atorníllelo o asegúrelo con tirantes. Los amortiguadores de vibraciones y los refuerzos de varilla también son útiles.
• Donde las cosas necesitan moverse para evitar daños, hágalos flexibles.

Los detalles, sin embargo, son muy complicados. Debe calcular las cargas sísmicas, el desplazamiento esperado, la resistencia de los cables o miembros de las riostras, el número y la ubicación de las riostras, los límites del hardware, la resistencia de la estructura y más.

Muchos estándares y códigos de la industria rigen la protección sísmica de los componentes no estructurales. ASCE 7, el Código Internacional de Construcción (IBC) y varias publicaciones de FEMA ya han sido nombradas. Más allá de estos, es posible que deba consultar:

• Norma ANSI/AHRI 1270 (IP) Requisitos para la calificación sísmica de equipos HVACR (edición de 2015) del Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI) y el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)
• Directrices del manual de restricción sísmica para sistemas mecánicos, una publicación de ANSI y la Asociación Nacional de Contratistas de Chapa y Aire Acondicionado (SMACNA)
• Directrices para la restricción sísmica de ensamblajes de cielorrasos suspendidos colgados directamenteuna publicación de la Asociación de Construcción de Sistemas de Techos e Interiores (CISCA)
• Proceso de tuberias (ASME B31.3), una publicación de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME)

Pueden aplicarse otras normas y documentos. Los códigos de construcción locales y las autoridades competentes tendrán la última palabra sobre qué estándares, requisitos de listado y otros mandatos pueden aplicarse.

Asegúrese de consultar con su AHJ, a menudo, el departamento de construcción local, para verificar cuánta protección se requiere en una estructura.