Efectos sísmicos tuberías subterráneas para agua potable en México

Raúl Flores Berrones

Dirección General de Captaciones y Conducciones de Agua, SARH

Las redes de distribución de agua potable fueron gravemente afectadas por los sismos que azotaron a la Republica Mexicana en septiembre de 1985. En este articulo se indican las diversas causas que originaron las fallas de las tuberias subterráneas. Los ejemplos que se presentan provienen de observaciones llevadas a cabo tanto en la capital del pais como en el puerto industrial de Lázaro Cárdenas, en el estado de Michoacán, localidades que resultaron muy dañadas. Se comentan también algunas medidas preventivas que habrá que tomar en consideración desde la etapa del dise- ño, y por Ultimo se recomiendan algunas soluciones de emergencia que posibiliten la reparación rápida de las instalaciones dañadas.

Uno de los principales efectos que produjeron los sismos del 19 y 20 de septiembre de 1985 en la ciudad de México fue la rotura de numerosas tu- berías en las redes primarias y secundarias de agua potable; a consecuencia de ello, se suspen- dió el suministro de este liquido a cerca de 5 mi- llones de habitantes; hubo problemas de contami- nación del agua y fue necesario adoptar medidas de emergencia para resolver en breve plazo la re- gularización de este vital servicio.

La ciudad de México, sin embargo, no fue la única que experimentó esta clase de efectos du- rante los sismos. Otras ciudades cercanas al epi- centro, entre ellas la de Lázaro Cárdenas, Mi- choacán, sufrieron también daños serios en las tuberías de agua potable y en el alcantarillado.

Existen varias áreas urbanas sísmicas en el pais donde se puede rebasar la intensidad VII de la escala de Mercalli (zonas 1 , 2 y 3) y, consecuente- mente, ocurrir daños graves en las tuberías de conducción y en las redes de agua potable (véase ilustración l ) . Por tanto, es importante estudiar el comportamiento de los diversos tipos de tuberías durante y después de la ocurrencia de un sismo, a fin de tomar medidas preventivas y de emergencia en los acueductos y sistemas de distribución en funcionamiento o que están por construirse en las zonas más riesgosas del país.

Fallas en las tuberías durante los sismos de septiembre

Las causas que originaron daños en las tuberías de conducción de agua durante los sismos men- cionados fueron fundamentalmente:

Propagación de las ondas sísmicas a través del terreno donde se ubica la tubería. Cruzamiento de la línea por una falla del terre- no que experimentó movimientos importantes durante el temblor. Licuación o densificación de materiales granu- lares en estado suelto y saturado.

Propagación de ondas

Uno de los principales daños en la red primaria para agua potable en la ciudad de México fue el rompimiento de la tubería de concreto tipo lock joint (véase ilustración 2 ) , la cual predomina en la mayor parte de la capital, con diámetros que va- rían de 30 a 72 pulgadas; algunas zonas arcillosas clasificadas como blandas y muy blandas en las que se ha empleado este tipo de tubería sufrieron daños de importancia (véanse ilustraciones 3 y 4).

Una falla similar ocurrió en la tubería de con- creto presforzado de 1.80 m de diámetro para agua potable en el puerto de Lázaro Cárdenas; el

problema fue provocado por el material de las tu- berías o de sus juntas que, al ser sometidas a esfuerzos provocados por el movimiento del te- rreno durante la trasmisión de las ondas sísmicas, se rompen. A medida que estas se propagan a lo largo de la tuberia, por el desplazamiento relativo entre esta y el suelo, se desarrollan deformaciones axiales y curvaturas; el cálculo de los esfuerzos axiales inducidos se hace considerando el equili- brio entre las fuerzas de fricción suelo-tubería y las fuerzas axiales que producen la deformación en los tubos. Esta deformación se obtiene a partir del cálculo de la deformación máxima del terreno durante un sismo, que está dada por la expresión:

donde V m á x = velocidad máxima del terreno. C = velocidad de propagación de las

ondas sísmicas, dependiente del tipo de onda y clase de terreno. (Hall y Newmark, 1977).

= coeficiente que depende del tipo de onda y del ángulo de inciden- cia (ASCE, 1984).

La tubería tiende a seguir estas deformaciones, en cuyo caso la máxima es igual a la señalada por la expresión (1); sin embargo, cuando el terreno es relativamente blando puede haber desliza- miento entre el suelo y la tubería, por lo que la máxima deformación está dada por la fórmula:

donde T = resistencia axial última por unidad de longitud del suelo que rodea a la tu- bería.

L = longitud aparente de la onda sísmica predominante asociada con la veloci- dad máx. Esta longitud es igual a la velocidad C por el periodo T de esta onda (L = CT).

E , = Módulo inicial de elasticidad de la tu- bería, y

A , =Area transversal de la pared de la tu- bería.

De manera semejante, la curvatura máxima que puede ocurrir en la tubería se obtiene a partir de la expresión:

donde a = máxima aceleración de terreno.

Kg = curvatura sísmica máxima del terreno y = coeficiente de curvatura que depende

del ángulo de incidencia de la onda sísmica y del tipo de ésta.

Cabe señalar que el tipo de frecuencia de las ondas que llegan a un cierto lugar depende en gran medida de la distancia entre este y el epicen- tro. Así, para sitios cercanos, como fue el caso de Lázaro Cárdenas en los sismos de septiembre, las ondas predominantes fueron las de cuerpo (com- presionales y de corte) con frecuencias altas, mientras que en lugares distantes, como la ciudad de México, las ondas superficiales fueron de ma- yor impacto (tipo Rayleigh y Love) y predomina- ron las frecuencias relativamente bajas con pe- riodos altos (véanse ilustraciones 5 y 6).

Fallas del terreno

En la ciudad de Mexico este tipo de fallas ocurrió en zonas cercanas a pozos de bombeo, como las aledañas al Acueducto Tláhuac (véase ilustra- ción 7), donde se produjeron importantes daños en las tuberías. La ilustración 8 muestra una de estas fallas, que sin duda está ligada al proceso de consolidación provocado por el fuerte abati- miento de los acuíferos utilizados para el suminis-

tro de agua a la ciudad. En la ilustración 9 aparece otra localizada en las calles con tuberías de agua potable y drenaje, y que está íntimamente ligada al desplazamiento del terreno sobre fallas geoló- gicas activas que, aunque no se observaron en el área urbana del Valle de México, seguramente existieron en otras partes localizadas entre el epi- centro y la gran metrópoli.

Las estrategias para analizar este efecto son de dos tipos: el determinístico, que requiere del di- seño del cruzamiento de la tubería por cada falla, a fin de resistir los movimientos de la misma duran- te la vida Útil de la obra, y el probabilístico, el cual conlleva un bajo riesgo de ruptura de la tube- ría, con las consecuencias que ello implicaría, así como tomar las medidas pertinentes para reducir al mínimo dichas consecuencias. La estrategia que se elija depende de varios factores, tales co- mo el tipo y la localización de la falla, la probabili- dad y el nivel de riesgo, el costo y las consecuen- cias de una ruptura, etc. Los detalles sobre estos enfoques se pueden ver en ASCE, 1984 y ASCE, 1985.

Licuación o densificación de suelos granulares

Este efecto es uno de los que causa mayor daño a las tuberías localizadas en depósitos granulares saturados, como acontece con las áreas costeras de nuestro país sujetas a movimientos sísmicos (Coatzacoalcos, Veracruz, Salina Cruz y Lázaro cárdenas).

Cuando ocurre el fenómeno de la licuación, es decir, cuando físicamente el material que rodea a una tubería se licua por la pérdida substancial de su resistencia al cortante, la tuberia puede dañar- se por:

Desplazamiento lateral del terreno junto con la tubería, creando esfuerzos de tensión o com- presión que estén por arriba de la capacidad de la misma. Asentamientos o movimientos bruscos del te- rreno como consecuencia de la falla por la ca- pacidad de carga de cimentaciones continuas en los sitios donde se encuentra la tubería. Flotación de la tubería. El daño causado por cualquiera de estos efec-

tos puede ser muy grave; su análisis se hace de- terminando la susceptibilidad de los depósitos a la licuación (ASCE, 1984 y National Academy, 1985).

La densificación puede ocurrir tanto en suelos saturados como en materiales parcialmente satu- rados o secos, pero sucede con más frecuencia en suelos granulares, cuya densidad relativa es menor al 70%. Este tipo de daños no se observó en la ciudad de México durante los sismos de 1985, pero sí fue notorio en el puerto de Lázaro Cárdenas, donde fue el problema fundamental. La ilustración 10 muestra claramente el asentamien- to del terreno alrededor de un pozo usado para suministrar agua potable, que fue de 15 a 20 cm; la tuberia de asbesto-cemento de 20” de diámetro sufrió serios daños; conviene notar que el ademe del pozo funcionó como una especie de pilote, lo que causó que “emergiera” el brocal.

En la ilustración 11 se aprecia el asentamien- to ocurrido en el muelle de carga general en Láza- ro Cárdenas y en la siguiente (12) se puede obser-

var la gran cantidad de arena que fluyó durante los sismos mencionados (Comisión Nacional Coordinadora, 1985).

También se detectó otro par de efectos que puede dañar las tuberías; uno es el de las grietas en el terreno, que incluyen fisuras, separaciones y desplazamientos asociados con las vibraciones sísmicas (véase ilustración 13). El otro es el pro- ducido por el deslizamiento de taludes naturales

o terraplenes por donde pasa una tubería; la ilus- tración 14 señala el deslizamiento que experimen- tó un terraplén por donde se pretendía cruzar una tubería en Lázaro Cárdenas. Afortunadamente, cuando ocurrieron los sismos de 1985, la tuberia aún no había sido colocada en esa parte, y en la actualidad ya se han tomado las medidas necesa- rias para evitar, en lo posible, los daños durante la vida útil de la instalación. En la ilustración si- guiente (15) se presenta en forma esquemática el deslizamiento de un talud natural y su modula- ción a base de resortes.

Medidas preventivas

Desde la etapa del diseño deben tenerse en cuen- ta varias medidas preventivas, como son:

Considerar el riesgo sísmico de la línea, lo que implica determinar la sismicidad de la zona (in- cluyendo el cálculo de las aceleraciones, velo- cidades y desplazamientos máximos del terre- no), localizar las faltas geológicas activas y revisar los espesores y piezas especiales de la tubería.

Dar preferencia al empleo de tubería dúctil que tenga capacidad de absorber mejor las defor- maciones del terreno. A partir de esto es más recomendable usar tubería flexible, como la de acero o polietileno, en lugar de la de concreto o de asbesto-cemento, en virtud de la fragilidad de estos dos últimos materiales. Cuando por razones económicas no queda sino recurrir a ellos, el tipo de juntas, la calidad de los mate- riales y las piezas especiales deberán estar di- señadas para resistir los esfuerzos y curvaturas producidos por los movimientos del terreno en las tuberías. AI respecto, durante la evaluación de los daños debidos a los sismos de 1985 en las tuberías de agua potable en el Distrito Fede- ral, se observó que, exceptuando la zona donde se localiza la Central de Abastos, todas las lí- neas sufrieron daños graves; las investigacio- nes posteriores demostraron que donde no hu- bo daños la tubería era de polietileno. Construir con antelación válvulas de secciona- miento y dispositivos medidores de gasto o de presión en sitios estratégicos que permitan lo-

Medir presiones, gastos y balances de volúme- nes en diversos sitios del sistema de conduc- ción y distribución de agua. Observación directa de humedades o enchar- camientos anormales por arriba de los sitios donde se localizan las líneas de tubería. La reparación inmediata de la tubería dañada se

puede hacer mediante la rehabilitación (exterior o interior), la sustitución de piezas dañadas (par- tes especiales o tramos estándar) (véanse ilustra- ciones 16 y 17) y el uso de silletas (véase ilustra- ción 18), que es un procedimiento efectivo cuando sólo se requiere reparar los extremos de un tubo dañado.

calizar y aislar los tramos dañados, a fin de efectuar las reparaciones necesarias en forma más rápida y eficiente. En los casos específicos en que la tubería ten- ga que cruzar por zonas susceptibles a despla- zamientos importantes provocados por fallas geológicas, licuación o deslizamiento de talu- des, se deberán hacer análisis y tomar las medidas requeridas para prevenir los posibles daños. Cuando no sea posible evitar el cruza- miento de una falla geológica activa, además de calcular su dirección y desplazamiento du- rante la vida útil de la tubería, se deberán anali- zar los esfuerzos y deformaciones a los que estará sujeta la instalación y su capacidad para absorberlos. En función de los resultados, será posible de- terminar los conceptos especiales de diseño (ASCE, 1984, y Flores-Berrones, 1985). Cruzar el rumbo de la falla en un ángulo com- prendido entre los 70º y 90". Reforzar la tubería en una longitud de 15 m en las zonas de cruzamiento con la falla y usar material dúctil en dicho tramo. Reducir el espaciamiento de válvulas, a fin de aislar posibles rompimientos. Provocar deslizamientos entre la tubería y el suelo adyacente. Para lograrlo, se puede colo- car aquélla dentro de una berma construida so- bre el terreno natural con suelo de baja resis- tencia, o en trincheras sobredimensionadas y rodeadas por material de baja resistencia; otro método es introducirla en alcantarillas o con- ductos sobredimensionados, o bien apoyarla en soportes deslizables colocados arr iba del terreno.

En los demás casos donde existan cruces o alojamientos de la tubería dentro de zonas inestables, deberán seguirse procedimientos semejantes a los aquí mencionados.

Conclusiones y recomendaciones

o Todos los acueductos y obras de conducción que se localicen en zonas sísmicas deberán di- señarse para soportar las deformaciones y es- fuerzos que inducen los movimientos del terre- no ocasionados por los temblores.

Medidas de emergencia

Existen varias medidas que es indispensable to- mar inmediatamente después de que ha ocurrido u n movimiento telúrico fuerte; la principal es la detección y reparación de las fugas, para lo que se recomienda:

Localizar agrietamientos o desplazamientos del terreno, deslizamientos de bardas y ban- quetas, etc.; la relación del daño en la tuberia con los movimientos permanentes del terreno es muy estrecha y cualquier indicio de dichos movimientos puede servir para localizar roturas en las tuberías.

deformaciones provocadas por las vibraciones sísmicas. Conviene tomar en cuenta, durante la etapa de diseño, las diversas consideraciones que per- mitan prevenir daños en las tuberías localiza- das en terrenos inestables o sujetos a desplaza- mientos.

Referencias

ASCE. “Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems”, Committee on Gas and Liquid Fuel Lifelines, 1984.

ASCE. “Advisory Notes on Lifeline Earthquake Enginee- ring”, 1983.

Comisión Nacional Coordinadora de Puertos. “Informe técnico sobre los daños en el puerto industrial de Lázaro Cárdenas”, octubre, 1985.

o Actualmente existen métodos analíticos que Flores-Berrones, R. “El efecto sísmico de los acueduc- tos y sistemas de distribución de agua potable”, X l l l Congreso Nacional de Ingeniería Civil, 1985.

Hall, W. J., y N. M. Newmark. “Seismic Design Criteria for Pipelines and Facilities”, Proceedings, Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering Spe- cialty Conference, Los Angeles, California, ASCE,

National Academy of Sciences, Committee on Earth- quake Engineering, Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council, ”Liquefaction of Soils During Earthquakes”, Natio- nal Academy Press, Washington, D.C., 1985.

permiten considerar en el diseño la interacción tubería-suelo que ocurre durante las vibracio- nes o desplazamientos producidos por los sismos. Debe considerarse la utilización de tuberías dúctiles como las de acero o polietileno en zo- nas de alta sismicidad; las tuberías de concre- to, de asbesto-cemento o de PVC resultan rela- t ivamente frágiles y su empleo en zonas sísmicas queda limitado por la capacidad que tengan sus uniones o juntas para absorber las

pp. 18-34, 1977.