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Nuevo Manual de Diseño de Obras Civiles de Comisión Federal de Electricidad, que esta en evaluación para salir en este año 2015, tendrá nuevos criterios de diseño en cuanto a Sismo, Muros de Retención, Tuberías, Relación Suelo - Estructura, entre otras modificaciones como reducciones en los factores de coeficiente sismico para una determinada zona.
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29/09/2015
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Soluciones
innovadoras
en energía
Instituto de
Investigaciones
Eléctricas
iie.org.mx
Nuevos Criterios de Diseño
Manual de Comisión Federal de Electricidad Diseño por Sismo - versión 2015
Tema: Tuberías
M.I. Nicolas Melchor García
Soluciones
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Introducción:
Los criterios de diseño por sismo que presenta el MDOC 2008 para las estructuras tipo tuberías, no se encuentran actualizados en su totalidad. Por ello para tuberías enteradas, se propone la aplicación de métodos de análisis basados en el nivel de deformaciones del terreno, es decir se considera la interacción suelo-ducto.
Se incluye una metodología que permite clasificar las tuberías para determinar el tipo de análisis a emplear, acorde a los requerimientos funcionales antes, durante y después del sismo.
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Clasificación
Las tuberías de acuerdo a su importancia y a sus requerimientos funcionales se han clasificado en tres grupos :
Grupo A. Clase 1. Grado de seguridad alto. Su falla produce pérdida de vidas humanas y/o económicas. Su función y operación es esencial durante y después del
sismo. Ejemplo: tuberías de suministro de gas a plantas de generación, líneas
principales de conducción de agua y redes contra incendio.
Grupo B, Clase 1 (B1). Mediana importancia. Su falla produce pérdida de vidas
humanas y/o económicas, su interrupción no provoca gran impacto social o
económico. Ejemplo: redes de distribución de agua potable, ductos con aceite y
tuberías de gas cuyas instalaciones son importantes en el sector energético
Grupo B, Clase 2 (B2). Baja importancia, su funcionamiento puede ser interrumpido
sin que se tengan perdidas socio económicas y pueden ser sustituidas en un tiempo
corto.
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Obtener deformaciones
permanentes del
terreno?
Aplicar fórmulas para el método seleccionado
Sección 3.10.5.2 (simplificado)
ó
Sección 3.10.5.3 (estático)
SI
NO
3 4
SI
Aplicar fórmulas
sección 3.10.5.3.2
Obtener la
respuesta por
licuacción?
Aplicar fórmulas
sección 3.10.5.3.3
NO
Obtener la
respuesta por
fallas geológicas?
NO
Aplicar fórmulas
sección 3.10.5.3.4
Termina el diseño
sísmico
2
SI
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Los efectos sísmicos que pueden causar falla a una
tubería enterrada se pueden clasificar en:
– Deformaciones transitorias del terreno
Propagación de ondas sísmicas.
– Deformaciones permanentes del terreno
PGD.
PGD transversal y/o longitudinal
Desplazamientos relativos de ambos lados
de una falla geológica.
TUBERIAS ENTERRADAS
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Se propone considerar R=1, esto debido a que la mayoría de las
tuberías son dañadas por los desplazamientos impuestos, no por
fuerzas. Por lo tanto, la compatibilidad de la tubería a deformarse
es mucho más importante que la eliminación de vibraciones de
alta frecuencia por un menor rendimiento.
Factor de sobrerresistencia (R)
Factor de ductilidad (Q)
Si bien algunos tipos de tubería pueden ser "dúctil",
la mayoría no lo son, se propone considerar Q=1.
Espectro elástico
TUBERIAS ENTERRADAS
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Interacción suelo-tubería (IST) Componente Relación para tuberías enterradas Nomenclatura
Axial
(curvas t-x)
tu =
kctan)K(H
D
uSD
012
Cohesivos
uS Resistencia al corte del suelo no drenada
a Coeficiente empírico que varía en
función de Su (gráfica 2) Peso unitario efectivo del suelo Friccionantes
Horizontal
transversal
(curvas p-y)
pu =
DqhNH
DchNuS
Cohesivos
D Diámetro externo del ducto
H Profundidad de la superficie del suelo al
eje central del ducto
k0 Coeficiente de presión del suelo en
condiciones de reposo Ángulo de resistencia al cortante del
suelo
Friccionantes
Vertical
transversal
(curvas p-z)
Dirección hacia arriba
qu =
Dqv
HN
Dcv
Nu
S
Cohesivos
Friccionantes
ck Factor que depende de las características
de la superficie exterior y dureza del
ducto. Si es lisa y el suelo es arenoso, ck
varía entre 0.5 y 0.7. Si es rugosa, el
valor de ck se encontrará entre 0.7 y 1.0.
Nqh, Nqv y Nq Factores de capacidad de carga
horizontal, vertical hacia arriba y vertical
hacia abajo respectivamente para suelos
friccionantes (gráficas 3 - 5)
Nch, Ncv y Nc Factor de capacidad de carga
horizontal, vertical hacia arriba y vertical
hacia abajo respectivamente para suelos
cohesivos(gráficas 3 - 5)
N Factor de capacidad de carga vertical
hacia abajo (gráfica 5)
Dirección hacia abajo
qu =
NDDq
NH
Dc
Nu
S
2
2
1
Cohesivos
Friccionantes
TUBERIAS ENTERRADAS
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Deformaciones transitorias La propagación de ondas es el tercer efecto
sísmico que produce daños a las tuberías, sin
embargo cobra gran interés desde el punto de
vista del diseño.
Método simplificado.
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Ondas Superficiales
Ondas de cuerpo
ag
Cc
v
0
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Método simplificado. Criterios de IST para analizar esfuerzos y deformaciones
causadas por la propagación de ondas. (O’rourke y Elhmadi, 1998) :
a) Sin deslizamiento b) Con deslizamiento
Deformaciones transitorias
TUBERIAS ENTERRADAS
610≤u
pp
t
EA
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Deformaciones transitorias
Método estático. Deformación sísmica (JSCE, 1988)
El método asume que las ondas sísmicas
propagadas son ondas sinusoidales con una
longitud de onda λ.
deformación unitaria del terreno
deformación unitaria de la tubería
tig euu
0
2
2
2 x
uv
t
u xs
x
gta 1
h
gU2
gba 2
amplitud del desplazamiento del suelo que
rodea la estructura.
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Deformaciones permanentes
PGD longitudinal
TUBERIAS ENTERRADAS
Caso 1: La cantidad de suelo desplazado es grande y la deformación de la tubería es controlada por la longitud (LPGD) de la zona de PGD.
rr
y
a
r
r
pp
PGDua
rEtD
Lt
11
2
Caso 2. La longitud (LPGD) de la zona PGD es grande y la deformación de la tubería es controlada por la cantidad de suelo desplazado
rr
yp
eu
r
r
pp
eua
tD
Lt
rEtD
Lt
211
2
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Deformaciones permanentes
PGD transversal
TUBERIAS ENTERRADAS
2PGD
ld
bB
D
2
2
3 DtE
Bp
p
PGDub
La deformación máxima por curvatura se calculará por las siguientes ecuaciones:
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Cruce con fallas geológicas (Kennedy et al, 1977).
Si 51.
DcH
uuc t.t 42
Si 53.D
Hc
uuc t.t 33
pa AQ
fuerza axial máxima en el ducto
r
y
a
i
aa
rE
11
deformaciones unitarias por tensión axial y flexión
clb
R
D
2
TUBERIAS ENTERRADAS
Deformaciones permanentes
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r
y
a
i
aa
r
n
E 11
Criterio de Rambeerg- Oswood
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Método de análisis paso a
paso. Para ello se utilizan
acelerográmas de temblores
reales o de movimientos
simulados, o las combinaciones
de éstos, siempre que se usen
movimientos representativos
cuyas características de
intensidad, duración y
contenido de frecuencias sean
compatibles con el peligro
sísmico del sitio en cuestión.
Se puede modelar en FEM la
variación de condiciones de
topografía, geología,
estratigrafía del suelo y
cambios de rigidez en el suelo.
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 20 40 60 80 100 120 140
Distancia horizontal (m)
Esfu
erzo
axi
al e
n M
pa.
Sin considerar longitud de onda Con longitud de onda y sin desplazamieto
Con longitud de onda y con desplazamiento
TUBERIAS ENTERRADAS
Métodos dinámicos
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p
p
cgrR
t175.0
p
p
pgdcR
t88.0
2
p
p
ondasctE2
DP30000025.0
D
t5.0750.0
Componente de deformación Categoría de las tuberías Deformación admisible
Tensión Compresión
Tuberías continuas de Gas y Aceite
Tuberías de hierro fundido dúctil 2%
Para PGD : (gr-c)
Para propagación de
ondas:
(de 0.5 a 1 de gr-c)
Tuberías de acero 3%
Tuberías de polietileno 20%
Codos y Tees de tuberías 1%
Tuberías continuas de agua Tuberías de hierro y acero 0.25 eu
o 5%
c-pgd
c-ondas
Porcentajes de deformación admisible en tuberías enterradas
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TUBERIAS SUPERFICIALES
Se recurrirá a lo señalado en la sección de estructuras industriales y/o
literatura (más códigos de diseño internacionales) para su definición.
• Método Simplificado
La ordenada espectral se reduce
por el factor de ductilidad
El producto de la aceleración
sísmica y la masa por unidad
de longitud de la tubería
proporciona la fuerza sísmica
por unidad de longitud que
actúa en el tramo en cuestión
TUBERIAS SUPERFICIALES
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• Método Pseudoestático
El vector Uo se forma con ayuda de los registros
sísmicos generados en los apoyos o soportes de la
tubería, usando como excitación cada uno de los
elementos del vector Uo se calculan los
desplazamientos en el resto de los apoyos dando
lugar a Un.
El análisis convencional
considera que la excitación
sísmica es la misma en todos
los apoyos. Debido a que las
longitudes son muy grandes
es razonable suponer que
habrá variación espacial de los
movimientos de los apoyos,
por lo que este método
propone obtener la respuesta
de la tubería con base en los
movimientos sísmicos de los
apoyos.
TUBERIAS SUPERFICIALES
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¡Gracias por su atención!
