 |  |  | Estudio de Caso: Terremoto del 22 de abril de 1991 - Limón, Costa Rica (Pan American Health Organization (PAHO) / Organización Panamericana de la Salud (OPS), 1993) |  |  | Capítulo 7: Método propuesto para la estimación de la amenaza sísmico y vulnerabilidad de tuberías | |  | (introduction...) | | | 1. Estimación de la amenaza sísmica | | | 2. Estimación de la vulnerabilidad | | | 3. Cálculo de los daños estimados en las tuberías para el caso de estudio de acuerdo con el método propuesto y su comparación con los danos reales | | | 3.1 Líneas de conducción | | | 3.2 Líneas de distribución |
|
Estudio de Caso: Terremoto del 22 de abril de 1991 - Limón, Costa Rica (Pan American Health Organization (PAHO) / Organización Panamericana de la Salud (OPS), 1993)
Capítulo 7: Método propuesto para la estimación de la amenaza sísmico y vulnerabilidad de tuberías
A continuación se presenta, a modo de recomendación, una
metodología para estimar la amenaza sísmica a que se verán expuestas las
tuberías y la vulnerabilidad asociada a cada tipo de tubería. El investigador
podrá determinar si esta metodología es suficiente o si requiere refinamientos
adicionales.
1. Estimación de la amenaza sísmica
Paso 1: Se debe asignar un factor de amenaza por tipo de
perfil de suelo (FTPS). Así, para un suelo rocoso el FTPS = 1,0; para suelo
firme FTPS = 1,5; y para suelo blando FTPS = 2,0 (ver cuadro 7.1).
Paso 2: Se debe asignar un factor de amenaza por
licuefacción potencial del suelo (FLPS). Así, para un suelo sin peligro de
licuefacción FLPS = 1,0; para suelos con peligro moderado de licuefacción FLPS =
1,5; y para suelos con alto peligro de licuefacción FLPS = 2,0 (ver cuadro 7.2).
Paso 3: Se debe asignar un factor de amenaza por
deformación permanente del suelo (FDPS). Así, para suelos sin peligro de
deformaciones permanentes FDPS = 1,0; para suelos con peligro moderado de
deformaciones permanentes FDPS = 1,5; y para suelos con alto peligro de
deformaciones permanentes FDPS = 2,0 (ver cuadro 7.3).
Entonces, para cada tramo de tubería se multiplican los tres
factores asignados y se calcula la amenaza total según la siguiente
clasificación: si el resultado es menor que 2 se considera zona de amenaza
sísmica baja; si el resultado es igual o mayor que 2 pero menor que 4 se
considera zona de amenaza sísmica moderada; y si el resultado es mayor o igual
que 4 se considera zona de amenaza sísmica alta (ver cuadro 7.4).
Cuadro 7.1 Clasificación para tipos de perfil de suelo
|
Tipo de perfil
|
Rocoso
|
Firme
|
Blando
|
|
Descripción
|
Estratos rocosos o suelos muy consolidados, con velocidades de
propagación de ondas de corte superior a 750 m/s
|
Estratos de suelos bien consolidados o estratos de suelos suaves
con espesor menor de 5 metros
|
Estratos de suelos suaves con espesor mayor de 10
metros
|
Cuadro 7.2 Clasificación amenaza por licuefacción potencial del
suelo
|
Amenaza
|
Baja
|
Moderada
|
Alta
|
|
Descripción
|
Suelos bien consolidados y con alta capacidad de drenaje, estratos
subyacentes sin contenido de arenas apreciable
|
Suelos con moderada capacidad de drenaje, estratos subyacentes con
contenido de arenas moderado
|
Suelos mal drenados, niveles freáticos altos, estratos subyacentes
con alto contenido de arenas, zonas deltaicas de nos y depósitos
aluviales
|
Cuadro 7.3 Clasificación amenaza por deformaciones permanentes
del suelo
|
Amenaza
|
Baja
|
Moderada
|
Alta
|
|
Descripción
|
Suelos bien consolidados, terrenos con pendientes bajas, rellenos
bien compactados, áreas alejadas de cauces de ríos o fallas
geológicas
|
Suelos consolidados, terrenos con pendientes menores al 25%,
rellenos compactados, áreas cercanas a cauces de ríos o fallas
geológica;
|
Suelos mal consolidados, terrenos con pendientes superiores al
25%, áreas ubicadas muy cerca o dentro de cauces de ríos o fallas
geológicas
|
Cuadro 7.4 Factores de multiplicación relativos al tipo de
material
|
Material
|
Factor de multiplicación
|
|
Hierro dúctil (HD)
|
0,25
|
|
Hierro fundido (HF)
|
1,00
|
|
Cloruro de polivinilo (PVC)
|
1,50
|
|
Asbesto cemento (AC)
|
2,60
|
|
Tubo cilíndrico de concreto reforzado (TCCR)
|
2,60
|
2. Estimación de la vulnerabilidad
En este punto se asoció directamente la vulnerabilidad de la
tubería con el índice de daño generado por un evento sísmico de determinadas
características. De acuerdo con la bibliografía consultada existen varios
métodos para predecir estos índices de daño, generalmente expresados en cantidad
de fallas por kilómetro de tubería, tomando en cuenta factores tales como las
aceleraciones y velocidades pico de movimiento del suelo esperadas en sitio, la
intensidad según la escala Mercalli modificada, el periodo fundamental de
oscilación de los estratos de suelos, la velocidad de propagación de ondas
sísmicas y otros. Para trabajos de este tipo se consideró que lo más adecuado es
tomar en cuenta solamente las metodologías que relacionan el índice de daño de
las tuberías con la intensidad Mercalli modificada esperada en sitio, ya que el
resto de procedimientos requieren de una serie de análisis especializados que
podrían no estar al alcance de todos los investigadores que deseen aplicar las
guías.
Dentro de las relaciones que toman en cuenta solamente la
intensidad Mercalli modificada esperada en sitio se tienen dos tipos: las que
contabilizan daños generados por el fenómeno de propagación de ondas sísmicas
(figura 7.1) y las que contabilizan los daños generados tanto por el fenómeno de
propagación de ondas sísmicas como por las deformaciones permanentes del suelo
(figura 7.2). Dado que ambas relaciones se refieren solamente a tuberías de
hierro fundido (HF) se presentan en el cuadro 7.4 factores de multiplicación
relativos de la cantidad de daños según el tipo de material de la tubería,
extraídos de las investigaciones realizadas por Eguchi en 1991 y mostrados en la
figura 6.16.
Así, para estimar los daños esperados en las tuberías, se
recomienda el siguiente procedimiento:
Paso 1: Se toma como base la tubería de hierro fundido y se
estima el índice de daños; si la zona analizada está en un área de poca amenaza
se utiliza la figura 7.1 porque se considera que es poca la probabilidad de que
se desarrollen fenómenos diferentes a la propagación de ondas sísmicas. Para una
zona de amenaza moderada a alta se utiliza la figura 7.2 porque hay mayor
probabilidad de que se presente tanto el fenómeno de propagación de ondas
sísmicas como el fenómeno de deformaciones permanentes del suelo. Una vez
estimado el índice de daños para la tubería de hierro fundido se le aplican los
factores de multiplicación del cuadro 7.4 según el material de la tubería.
Paso 2: Debe estimarse la edad de la tubería y el estado
general de la misma con el fin de determinar, según el criterio del
investigador, un porcentaje de aumento que deberá aplicarse a la cifra calculada
en el paso 1. Por ejemplo, para el caso de tuberías viejas o en mal estado, el
porcentaje de aumento podrá ser de 50%; para tuberías en estado regular el
porcentaje será de 25% y para tuberías en buen estado no se aplicará aumento. El
aumento total puede calcularse como un promedio ponderado entre los porcentajes
de tubería en mal, regular y buen estado.
Paso 3: De acuerdo con datos de daños generados en tuberías
de distribución por sismos recientes, influye mucho el contenido de diámetros de
la tubería. Así, para tuberías con diámetros menores o iguales a 75 mm
(diámetros pequeños) se recomienda aplicar 50% de aumento; para tuberías mayores
de 75 mm pero menores que 200 mm (diámetros medianos) se puede aplicar 25% de
aumento; y para tuberías con diámetros mayores o iguales que 200 mm (diámetros
grandes) no se aplica aumento en los daños esperados. El aumento total puede
calcularse como un promedio ponderado entre los porcentajes de tubería
distribuidos según el diámetro.
Cuadro 7.5 Posibles combinaciones de los factores de
amenaza
|
#Comb
|
FTPS
|
FLPS
|
FDPS
|
Total
|
Tipo amenaza
|
|
1
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
1,00
|
Baja.
|
|
2
|
1,00
|
1,00
|
1,50
|
1,50
|
Baja.
|
|
3
|
1,00
|
1,50
|
1,00
|
1,50
|
Baja.
|
|
4
|
1,50
|
1,00
|
1,00
|
1,50
|
Baja.
|
|
5
|
1,00
|
1,00
|
2,00
|
2,00
|
Moderada
|
|
6
|
1,00
|
2,00
|
1,00
|
2,00
|
Moderada
|
|
7
|
2,00
|
1,00
|
1,00
|
2,00
|
Moderada
|
|
8
|
1,00
|
1,50
|
1,50
|
2,25
|
Moderada
|
|
9
|
1,50
|
1,00
|
1,50
|
2,25
|
Moderada
|
|
10
|
1,50
|
1,50
|
1,00
|
2,25
|
Moderada
|
|
11
|
1,00
|
1,50
|
2,00
|
3,00
|
Moderada
|
|
12
|
1,00
|
2,00
|
1,50
|
3,00
|
Moderada
|
|
13
|
1,50
|
1,00
|
2,00
|
3,00
|
Moderada
|
|
14
|
1,50
|
2,00
|
1,00
|
3,00
|
Moderada
|
|
15
|
2,00
|
1,00
|
1,50
|
3,00
|
Moderada
|
|
16
|
2,00
|
1,50
|
1,00
|
3,00
|
Moderada
|
|
17
|
1,50
|
1,50
|
1,50
|
3,38
|
Moderada
|
|
18
|
1,00
|
2,00
|
2,00
|
4,00
|
Alta
|
|
19
|
2,00
|
1,00
|
2,00
|
4,00
|
Alta
|
|
20
|
2,00
|
2,00
|
1,00
|
4,00
|
Alta
|
|
21
|
1,50
|
1,50
|
2,00
|
4,50
|
Alta
|
|
22
|
1,50
|
2,00
|
1,50
|
4,50
|
Alta
|
|
23
|
2,00
|
1,50
|
1,50
|
4,50
|
Alta
|
|
24
|
1,50
|
2,00
|
2,00
|
6,00
|
Alta
|
|
25
|
2,00
|
1,50
|
2,00
|
6,00
|
Alta
|
|
26
|
2,00
|
2,00
|
1,50
|
6,00
|
Alta
|
|
27
|
2,00
|
2,00
|
2,00
|
8,00
|
Alta
|
Figura 7.1 Indice de daños por
propagación de ondas sísmicas en tubería de hierro fundido según intensidad
Mercalli modificada
Fuente: Referencia (2).
Figura 7.2 Índice de daños por
propagación de ondas sísmicas y deformación permanente del suelo en tubería de
hierro fundido según intensidad Mercalli modificada
Fuente: Referencia
(2)
3. Cálculo de los daños estimados en las tuberías para el caso de estudio de acuerdo con el método propuesto y su comparación con los danos reales
3.1 Líneas de conducción
3.1.1 Tubería cilíndrica de concreto reforzado
(TCCR)
Se trata de una tubería relativamente nueva y en buenas
condiciones. La longitud total de 15,5 kilómetros consta de un solo diámetro de
500 mm. De acuerdo con la zonificación, según tipos de amenaza (figura 7.3),
confeccionada siguiendo los lineamientos del artículo 7 1, la longitud total de
la tubería queda distribuida en tres tramos de diferentes amenazas, a saber:
Tramo 1: 1,8 km de longitud, baja amenaza.
Tramo 2:
12,7 km de longitud, amenaza moderada.
Tramo 3: 1,0 km de longitud, alta
amenaza.
Para la estimación de daños se supondrá una intensidad Mercalli
modificada de IX en todos los tramos.
Tramo 1: Por estar en una zona de baja amenaza se usa el
gráfico de la figura 7.1 para estimar el índice de daños para tubería de hierro
fundido que corresponde a un valor de 0,35 fallas/km. Luego se le aplica el
factor de multiplicación del cuadro 7.4 para obtener la relación entre hierro
fundido y tubería cilíndrica de concreto reforzado, lo que da un valor de 2,60.
Así, para la longitud del tramo se tendrá un índice de daños esperado de: (1,80
km) (0,35 fallas/km) (2,60) = 1,64 fallas. Por tratarse de una tubería
relativamente nueva y en buen estado, no se aplican los factores de incremento
indicados en los pasos 2 y 3 del artículo 7.2.
Tramo 2: Por tratarse de una zona de amenaza moderada se
usa el gráfico de la figura 7.2 que arroja un índice de daño de 4,0 fallas/km.
De esta forma, el número total de fallas para este tramo será: (12,7 km) (4,0
fallas/km) (2,60) = 132,08 fallas
Tramo 3: Por tratarse de una zona de amenaza alta se usa el
gráfico de la figura 7.2 que arroja un índice de daño de 4,0 fallas/km. De esta
forma, el número total de fallas para este tramo será: (1,0 km) (4,0 fallas/km)
(2,60) = 10,40 fallas. Entonces, el total de fallas esperado para esa tubería
será: Total de fallas = 1,64 + 132,08 + 10,40 fallas = 144,12 fallas (usar 144
fallas).
3.1.2 Tubería de hierro fundido (HF)
Se trata de una tubería de 12,50 km en 300 mm de diámetro y no ha
alcanzado la mitad de su vida útil, sin embargo, en algunas zonas presentó
problemas por corrosión. Siguiendo la metodología anterior se obtiene:
|
Tramo 1:
|
Longitud = 1,80 km. Amenaza = Baja
|
|
Índice de daños = 0,35 fallas/km (figura 7.1)
|
|
Factor por tipo de tubo = 1,0 (cuadro 7.4)
|
|
Factor por edad de tubería = 1,25 (articulo 7.2, paso
2)
|
|
Total fallas en el tramo = (1,80) (0,35) (1,0) (1,25) = 0,78
fallas.
|
|
Tramo 2:
|
Longitud = 10,70 km. Amenaza = Moderada
|
|
Índice de daños = 4,0 fallas/km (figura 7.2)
|
|
Factor por tipo de tubo = 1,0 (cuadro 7.4)
|
|
Factor por edad de tubería = 1,25 (artículo 7.2, paso
2)
|
|
Total fallas en el tramo = (10,7) (4,0) (1,0) (1,25) = 53,5
fallas.
|
Así, el total de fallas para esta tubería
será:
Total de fallas = 0,78 + 53,5 = 54,28 fallas (usar 54
fallas).
3.1.3 Tubería de hierro dúctil (HD)
Se trata de una tubería de 4,54 kilómetros en 300 mm de diámetro
relativamente nueva. Siguiendo la metodología anterior se obtiene:
|
Tramo 1:
|
Longitud = 3,54 km. Amenaza = Baja
|
|
Índice de daños = 0,35 fallas/km (figura 7.1)
|
|
Factor por tipo de tubo = 0,25 (cuadro 7.4)
|
|
Factor por edad de tubería = 1,0 (artículo 7.2, paso
2)
|
|
Total fallas en el tramo = (3,54) (0,35) (0,25) (1,0) = 0,31
fallas.
|
|
Tramo 2:
|
Longitud = 1,0 km. Amenaza = Alta
|
|
Índice de daños = 4,0 fallas/km (figura 7.2)
|
|
Factor por tipo de tubo = 0,25 (cuadro 7.4)
|
|
Factor por edad de tubería = 1,0 (artículo 7.2, paso
2)
|
|
Total fallas en el tramo = (1,0) (4,0) (0,25) (1,0) = 1,0
fallas.
|
Así, el total de fallas para esta tubería
será:
Total de fallas = 0,31 + 1,0 = 1,31 fallas (usar 1,0
falla).
3.2 Líneas de distribución
3.2.1 Tubería de cloruro de polivinilo (PVC)
Factor por tipo de tubo = 1,5 (cuadro
7.4)
Distribución de amenaza = 35% en baja amenaza (0,35 fallas/km, figura
7.1), 65% en amenaza moderada a alta (4 fallas/km, figura 7.2)
Índice de
daños base = (0,35) (1,5) (0,35) + (4,0) (1,5) (0,65) fallas/km = 4,08
fallas/km
Contenido de diámetros = 3% diámetros grandes, 34% diámetros
medianos, 63% diámetros pequeños
Factor por contenido de diámetros = (1,0)
(0,03) + (0,34) (1,25) + (0,63) (1,5) = 1,40
Condiciones de la tubería = 100%
es nueva y en buen estado
Factor por edad y condiciones de tubería =
1,0
Total fallas = (4,08) (1,40) (1,00) (43,7) = 250 fallas.
3.2.2 Tubería de hierro fundido (HF)
Factor por tipo de tubo = 1,0 (cuadro
7.4)
Distribución de amenaza = 77% en baja amenaza (0,35 fallas/km, figura
7.1), 23% en amenaza moderada a alta (4 fallas/km, figura 7.2)
Índice de
daños base = (0,35) (1,0) (0,77) + (4,0) (1,0) (0,23) fallas/km = 1,19
fallas/km
Contenido de diámetros = 1% diámetros grandes, 66% diámetros
medianos, 33% diámetros pequeños
Factor par contenida de diámetros =
(1,0)(0,01) + (1,25)(0,66)+ (1,5)(0,33) = 1,33
Condiciones de la tubería =
60% en mal estado y 40% regular
Factor por edad y condiciones de tubería =
(1,5) (0,6) + (1,25) (0,4) = 1,4
Total fallas = (1,19) (1,33) (1,40) (23,1) =
51 fallas.
3.2.3 Tubería de asbesto cemento (A C)
Factor por tipo de tubo = 2,6 (cuadro
7.4)
Distribución de amenaza = 89% en baja amenaza (0,35 fallas/km, figura
7.1), 11% en amenaza moderada a alta (4 fallas/km, figura 7.2)
Índice de
daños base = (0,35) (2,6) (0,89) + (4,0) (2,6) (0,11) fallas/km = 1,95
fallas/km
Contenido de diámetros = 17% diámetros grandes, 35% diámetros
medianos, 48% diámetros pequeños
Factor por contenido de diámetros = (1,0)
(0,17) + (1,25) (0,35) + (1,5) (0,48) = 1,33
Condiciones de la tubería = 100%
en buen estado
Factor por edad y condiciones de tubería = 1,0
Total fallas
= (1,95) (1,33) (1,0) (20,5) = 53 fallas.
3.2.4 Tubería de hierro galvanizado (HG)
Factor por tipo de tubo = 1,0 (cuadro 7.4, se asume
igual que el hierro fundido)
Distribución de amenaza = 96% en baja amenaza
(0,35 fallas/km, figura 7.1), 4% en amenaza moderada a alta (4 fallas/km, figura
7.2)
Índice de daños base = (0,35) (1,0) (0,96) + (4,()) (1,0) (0,04)
fallas/km = 0,50 fallas/km
Contenido de diámetros = 2% diámetros medianos,
98% diámetros pequeños
Factor por contenido de diámetros = (1,25) (0,02) +
(1,5) (0,98) = 1,47
Condiciones de la tubería = 100% en mal estado debido a
la acidez del suelo
Factor por edad y condiciones de tubería = 1,5
Total
fallas = (0,50) (1,47) (1,5) (8,5) = 9 fallas.
Cuadro 7.6 Comparación entre daños estimados y reales
|
Tipo Tubería
|
Material
|
Daños estimados
|
Daños reales
|
|
Conducción
|
TCCR
|
144
|
120
|
|
HF
|
54
|
41
|
|
HD
|
1
|
25
|
|
Distribución
|
PVC
|
250
|
246
|
|
HF
|
51
|
34
|
|
AC
|
53
|
81
|
|
HG
|
9
|
39
|
|
TOTAL
|
562
|
586
|
Puede observarse que para el caso de tuberías de conducción, el
valor de daños estimados es muy cercano al de daños reales provocados por el
terremoto del 22 de abril de 1991 excepto para el caso de la tubería de hierro
dúctil. Ello se debe a que la zona por donde pasaba esta tubería se vio
enormemente afectada por el levantamiento cosísmico, hecho que no toman en
cuenta los gráficos de estimación de daños.
Para el caso de las tuberías de distribución se tiene que los
daños estimados para la tubería de PVC es similar a los daños reales; mientras
que para las tuberías de hierro fundido y asbesto cemento se predijeron 50% más
y 50% menos, respectivamente, que los daños reales. Solamente para el caso de
las tuberías de hierro galvanizado existe una gran diferencia entre lo estimado
y lo causado por el terremoto, probablemente por el hecho de suponer que se
podía igualar con el hierro fundido cuando en realidad este tipo de tubo es más
frágil.
Nótese que el total de daños estimados difiere apenas en 4% con
respecto al total de daños causados por el terremoto.
Figura 7.3 Zonificación para los tipos
de amenaza
sísmica
