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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

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PROPUESTA DE ESTIMACIÓN DE DAÑO EN UNA ESTRUCTURA TIPO INDUSTRIAL DEBIDO A LA ACCIÓN DE VIENTOS PROVOCADOS POR UN CICLÓN TROPICAL DEPENDIENDO DE

SU ORIGEN

Jesús Salvador Garcia Carrera1 , Ulises Mena Hernandez

1 y Leodegario Sansón Reyes

2

RESUMEN

Los daños en las estructuras provocados por ciclones tropicales intensos ocurren principalmente por los

efectos combinados del evento (grandes ráfagas de viento, fuerte oleaje e inundaciones), aunado a una

capacidad estructural deficiente de las construcciones. Las autoridades de CFE preocupadas por el impacto

que tiene los ciclones tropicales en las poblaciones, han concentrado sus esfuerzos en buscar medidas de

mitigación, que reduzcan los daños en las estructuras, pero sobre todo las interrupciones del servicio. Por tal

motivo, se propone en este trabajo un procedimiento para evaluar el daño en las estructuras destinadas a las

casetas de control dentro de las subestaciones eléctricas (clasificadas como estructuras tipo industrial),

sometidas a fuerzas de viento provocadas por los ciclones, tomando en cuenta los criterios de diseño

estructural actuales. Por otra parte se analizará la relación del costo de reparar el daño causado a la estructura

expuesta contra el costo inicial de la misma. Finalmente, se concluirá con la estimación de daño y

construcción de escenarios de daño tras el paso de un ciclón tropical, utilizando el sistema de información

geográfico ARCGIS.

ABSTRACT

The catastrophic effects on structures during tropical cyclones occur primarily by the combined effects of the

event (higher gusts, high waves and flooding), coupled with a deficient structural capacity. Therefore, a

procedure to assess the damage in facilities’ structures is proposed. This procedure will apply in order to

assess structural damage in electrical substation, subjected to wind forces caused by cyclones, considering the

current structural design criteria. On the other hand, an analyst of initial structure cost and repair cost after

damage caused by cyclones will be studied. Finally, the structural damage estimate and damage scenarios

after a cyclone will be obtained, using the geographical information system ARCGIS.

INTRODUCCIÓN

México se encuentra localizado en una región geográfica, que es propensa a ser afectada por ciclones

tropicales que se originan en el Océano Pacífico y en el Océano Atlántico. Durante la temporada de huracanes

(aproximadamente siete meses al año), al menos un fenómeno meteorológico importante impacta territorio

nacional. Los efectos suelen ser catastróficos en el sector energético debido a la alta vulnerabilidad de sus

instalaciones y por la combinación de las grandes ráfagas de viento, fuerte oleaje y sobre todo debido a las

inundaciones, que provocan las crecidas de los ríos. Esto ha quedado evidenciado con los daños provocados

por los huracanes Gilberto (1988), Paulina (1997) o con el huracán Wilma (2005), considerado como el

fenómeno más poderoso registrado en el Océano Atlántico, que nació frente a las costas de las Islas Caimán el

16 de Octubre y que el 21 de Octubre impactó la Península de Yucatán con vientos superiores a los 64 m/s

1 Investigador, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), Gerencia de Ingeniería Civil, Reforma No113,

Col. Palmira, 62490, Cuernavaca, Morelos, México. Teléfono, (777) 362-3811 Ext. 7596, 7735;

[email protected]; [email protected]

2 Jefe Del Departamento de Hidrometeorología, Comisión Federal de Electricidad, Gerencia de Estudios de

Ingeniería Civil, Av. Insurgentes Sur No. 826, Col. Del Valle, 03100, México, D.F.;

[email protected]

mailto:[email protected]



XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 2012

2

(230 km/h). Wilma dejó a su paso pérdidas en el sector eléctrico por 297.4 millones de pesos, como resultado

de los daños provocados por el colapso o reparación de líneas de transmisión, subestaciones eléctricas, plantas

generadoras, redes de distribución, pero sobre todo debido a la interrupción del servicio eléctrico.

Las autoridades de CFE han concentrado sus esfuerzos en reducir al mínimo las interrupciones del servicio,

elaborando planes de contingencia, apoyados de la información que proporciona el Departamento de

Meteorología de la CFE y organizando su personal para actuar inmediatamente después de sucedido un

evento catastrófico (como los vividos en las temporadas de ciclones en 1988 y 2005). Para ello, no sólo se

requiere de una planeación detallada, basada en la predicción de la trayectoria de estos fenómenos

meteorológicos, sino también de los efectos que tendrán en cada una de las instalaciones del sector eléctrico.

Para poder lograr esto, es necesario desarrollar una metodología simplificada que permitan determinar los

daños en las estructuras debido al efecto del viento, considerando la trayectoria del ciclón e implementada en

un Sistema de Información Geográfica ARCGIS, para la elaboración de escenarios de daño, que serán la base

en los planes de mitigación.

FUNCIÓN DE LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS

Las subestaciones eléctricas son instalaciones industriales cuyos objetivos son modificar y establecer los

niveles de tensión de la infraestructura eléctrica, facilitar el transporte y distribuir la energía eléctrica a las

poblaciones. Es por ello que las subestaciones de transmisión son la liga entre la generación y la transmisión,

y posteriormente entre la transmisión y la distribución.

Normalmente una subestación de transmisión esta conformada por a) estructuras mayores, que son los marcos

estructurales que sujetan y soportan los cables conductores, y mantienen su posición respecto a los cables de

llegada de las torres de transmisión; b) estructuras menores, que son los elementos estructurales que dan

soporte a los equipos primarios y materiales de instalación permanente; c) casetas y edificios, que son las

estructuras que tienen la finalidad de proteger físicamente de los agentes ambientales críticos a los equipos

que no son capaces de estar a la intemperie, entre los que se encuentran las casetas de control, subestaciones

SF6, Relevadores, Metal Clad, plantas de emergencia y de vigilancia; d) varios, que pueden ser sistemas de

drenaje, trincheras y ductos, fosas de captación de aceite, tanques colectores, mamparas y algunas obras

complementarias para el funcionamiento correcto de la subestaciones de transmisión. En la figura 1 se

muestra una subestación típica de transmisión. En ella pueden apreciarse las estructuras que se emplean para

mantener los cables, los equipos primarios, casetas de control y operación así como otras instalaciones.

Figura 1 Subestación de transmisión


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CARACTERISTICAS DE UNA CASETA DE CONTROL

Las casetas de control son estructuras a base de marcos de concreto con muros de mampostería y losas de

concreto o de elementos prefabricados, o bien una estructura tipo industrial a base de marcos de acero con

muros y techos de material prefabricado. Estas casetas, dependiendo de su diseño arquitectónico y tamaño,

podrán ser moduladas para tener en su interior áreas destinadas a salas de control, cuarto de comunicaciones,

cuarto de baterías, cuarto de protección, control y medición (PCM), sanitarios y en algunos casos dormitorios,

cocina y área para usos múltiples. Sus dimensiones, largo y ancho podrán variar dependiendo de las

necesidades que debe cubrir la caseta, incluso de la ubicación geográfica. La forma y características

estructurales de las casetas de control se muestran en la figura 2.

Figura 2 Casetas de control típicas en subestaciones de transmisión (izquierda, marcos de concreto y muros de mampostería; derecha, marcos de acero y muros prefabricados)

Dado que las casetas de control contendrán todos los equipos que proporcionan información importante del

funcionamiento de la subestación, como equipos de protección, medición, control, automatización,

comunicaciones, el diseño estructural de la caseta se deberá realizar con métodos de diseño que garanticen la

seguridad de la estructura.

Caseta de control como ejemplo de aplicación

El arreglo arquitectónico de las casetas de control se estructurará en función de las necesidades operativas que

deben cubrir en cada subestación, así como por las condiciones climáticas y condiciones del suelo. En la

figura 3 se muestra la planta arquitectónica de la caseta de control empleada en este estudio, que es muy

común en subestaciones de transmisión.

Figura 3 Planta arquitectónica de la caseta de control


4

La caseta de control que se analiza en este ejemplo esta estructurada por dos marcos de acero con separación

de 7.32 m en el sentido corto (Eje 1-5) y 6 marcos (Eje A-F) con una separación de 5 m al centro de los

elementos estructurales en el sentido largo. Dado que el techo debe tener una pendiente mínima para evitar la

acumulación de agua, en el Eje 1 las trabes están a una altura de 4.23 m, mientras que en el Eje 5

correspondientes a las trabes se encuentra a una altura de 4.08 m, estas medidas con al centro del elemento.

En cada marco, se requieren de elementos secundarios para garantizar un correcto funcionamiento del sistema

de muro y techo. Para una mejor apreciación, lo anterior se muestra en la figura 4.

Figura 4 Arreglo físico de los elementos estructurales

Diseño estructural consiente

El diseño de la caseta se realizó siguiendo las recomendaciones de la especificación de CFE C0000-13,

correspondiente a edificios y casetas para subestaciones eléctricas. En la CFE C0000-13 se definen las cargas

que se deben considerar en el análisis y diseño de las estructuras, así como las condiciones, combinaciones y

factores de carga. Se estipula que el diseño estructural deberá hacerse por el estado límite de resistencia.

Acciones

Las acciones que actuarán sobre la estructura se pueden dividir en tres categorías: peso de la estructura, cargas

vivas y efectos producidos por la acción del viento. Las condiciones básicas de acuerdo a la especificación,

descritas de forma simplificada son las siguientes:

PP = Peso propio de la estructura

CV = Carga viva

PVNEB, C1 = Presión de viento normal a la estructura, Barlovento Caso 1

PVNEB, C2 = Presión de viento normal a la estructura, Barlovento Caso 2

PVNES, C1 = Presión de viento normal a la estructura, Sotavento Caso 1

PVNES, C2 = Presión de viento normal a la estructura, Sotavento Caso 2

PVPEB, C1 = Presión de viento paralelo a la estructura, Barlovento Caso 1

PVPEB, C2 = Presión de viento paralelo a la estructura, Barlovento Caso 2

PVPES, C1 = Presión de viento paralelo a la estructura, Sotavento Caso 1

PVPES, C2 = Presión de viento paralelo a la estructura, Sotavento Caso 2

Las combinaciones de carga correspondiente a los estados límite de resistencia empleados para este estudio

fueron las siguientes:

1. 1.4 ( PP + CV )

2. 1.1 ( PP + PVNEB, C1)

3. 1.1 ( PP + PVNEB, C2)

4. 1.1 ( PP + PVNES, C1)

5. 1.1 ( PP + PVNES, C2)


5

6. 1.1 ( PP + PVPEB, C1)

7. 1.1 ( PP + PVPEB, C2)

8. 1.1 ( PP + PVPES, C1)

9. 1.1 ( PP + PVPES, C2)

MODELO PARAMÉTRICO PARA LA SIMULACIÓN DE LOS CAMPOS DE VIENTOS MÀXIMOS GENERADOS POR CICLONES TROPICALES

Para determinar la velocidad máxima en un sitio de interés relacionada con un ciclón tropical se emplean

modelos paramétricos de viento que dependen de variables del propio ciclón, así como del sitio de interés

donde se desea conocer el viento máximo probable que ocasionará el fenómeno meteorológico. El modelo

paramétrico calcula diferentes variables que van desde el radio máximo gradiente, velocidad del viento

sostenida promediada cada ocho minutos a 10 metros sobre la superficie del mar, velocidad del viento

promediada cada minuto y finalmente la velocidad del viento para una ubicación considerando los efectos de

sitio como constantes para los tipos de terrenos más representativos del territorio nacional. En la figura 5 se

muestra un diagrama de las variables requeridas por el modelo.

Modelo Paramétrico

Sitio de interésCiclón Tropical

Presión central (mb)

Velocidad del viento

(km/h)

Velocidad de

desplazamiento (km/h)

Posición del ojo del ciclón

latitud, longitud (°)

Trayectoria

Dirección respecto a la

trayectoria del ciclón (°)

Posición del sitio

latitud, longitud (°)

Distancia al centro del

ciclón (km)

Altura a la cual se determinara

la velocidad (m)

Efectos de sitio

Tipo de terreno

Factor de topografía

Figura 5 Diagrama del modelo paramétrico

Las variables del ciclón se pueden obtener de los boletines meteorológicos que proporcionan las dependencias

gubernamentales o de investigación, como pueden ser el Centro Nacional de Huracanes de Miami (NHC por

sus siglas en ingles), el Servicio Meteorológico Nacional (SMN), el Centro Meteorológico de la Comisión

Federal de Electricidad (CEMET-CFE), etc. Las variables que corresponden al sitio de interés son la posición

del sitio en coordenadas geográficas, altura a la que se desea determinar la velocidad, factor de topografía y

tipo de terreno; mientras que las variables de distancia al centro del ciclón y dirección a la trayectoria del

ciclón dependerán de la formación del ciclón para poder ser determinadas. Para apreciar mejor la relación de

estas variables se presenta la figura 6.


6

Figura 6 Variables que dependen del ciclón tropical

Uno de los aspectos importantes que se tienen que considerar para el cálculo de los vientos estimados, son los

factores que dependen de los efectos de sitio, ya que estos realizan modificaciones al flujo del viento por la

topografía del sitio (montañas, valles, pendientes, costas, etc.) así como por la fricción con la superficie del

terreno (campo abierto plano, árboles o construcciones dispersas; arbolado, lomeríos, obstrucciones

estrechamente espaciadas y los centros de las ciudades). De estos factores depende que el viento reduzca o

incremente la velocidad respecto al nivel del mar. Para apreciar los efectos de sitio se muestra la figura 7.

Figura 7 Efectos de sitio por la topografía local y superficie del terreno

CALIBRACIÓN DEL MODELO PARAMÉTRICO

Para garantizar los resultados obtenidos con modelos paramétricos que estiman velocidades de vientos

máximos generados por un ciclón tropical, es necesario realizar análisis comparativos con datos reales

registrados durante ciclones históricos.

El modelo que se aplicará en este estudio, estima la velocidad del viento máximo en cualquier sitio de interés

a una determinar altura (incluye efectos de sitio). Para determinar la velocidad del viento máximo, primero se

calcula una velocidad de viento a 10 metros sobre la superficie del mar promediada a cada 8 minutos y

posteriormente se calcula la velocidad del viento promediada cada minuto tal como se reporta en los boletines

meteorológicos. Para este trabajo se calibró el modelo con el huracán Wilma, para una fecha y hora precisa.

Los resultados se compararon con información presentada por la División de Investigación de Huracanes

(HRD por sus siglas en inglés) pertenecientes a la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA).

Dicha información corresponde a una variedad de datos recopilados, analizados y procesados sobre ciclones

tropicales y que se encuentran a disposición del público general. En la figura 8 se muestra la información que

emitió la HRD-NOOA sobre el huracán Wilma el 21 de Octubre de 2005 a las 13:00 Z (5:00 hora local).


7

Figura 8 Vientos máximos sostenidos cada minuto

Los resultados obtenidos con el modelo paramétrico se muestran en la figura 9. La unidad de medida de los

vientos se encuentra en m/s a diferencia de la figura 8 que se presenta Nudos (kts), sin embargo, la

información disponible puede transformarse a cualquier unidad de velocidad. Es por ellos que en la tabla 1 se

presenta una comparación del modelo de campos de vientos máximos (CAVEMAX) con la información de la

HRD-NOOA.

Figura 9 Vientos máximos sostenidos cada minuto del huracán Wilma (21 OCT 2005 13:00 Z)


8

Se espera que exista una diferencia entre los valores calculados con CAVEMAX y los datos reales. Esta

diferencia puede calcularse con la relación viento registrado - viento estimado, definida como:

est

reg

VTOVto

VtoR (1)

Donde:

regVto es el viento registrado por la HRD-NOOA

estVto es el viento estimado por CAVEMAX

Tabla 1 Relación de vientos del huracán Wilma

Punto Coordenadas Viento registrado

HRD-NOOA

Viento estimado CAVEMAC

RVTO Latitud Longitud

1 15.76° -88.63° 9.85 m/s (35.47 km/h) 10.96 m/s (39.44 km/h) 0.90 2 15.76° -88.25° 10.66 m/s (38.36 km/h) 11.38 m/s (40.97 km/h) 0.94 3 15.76° -87.00° 12.75 m/s (45.91 km/h) 12.26 m/s (44.15 km/h) 1.04 4 15.76° -86.67° 8.88 m/s (31.97 km/h) 12.32 m/s (44.34 km/h) 0.72 5 15.82° -87.43° 12.35 m/s (44.45 km/h) 12.27 m/s (44.18 km/h) 1.01 6 15.82° -84.23° 11.31 m/s (40.72 km/h) 10.49 m/s (37.77 km/h) 1.08 7 15.87° -83.85° 11.97 m/s (43.1 km/h) 10.08 m/s (36.27 km/h) 1.19 8 16.09° -87.49° 12.94 m/s (46.59 km/h) 13.33 m/s (47.98 km/h) 0.97 9 16.36° -84.99° 12.18 m/s (43.86 km/h) 13.63 m/s (49.06 km/h) 0.89

10 16.74° -87.05° 16.35 m/s (58.87 km/h) 16.99 m/s (61.17 km/h) 0.96 11 17.12° -86.84° 18.71 m/s (67.34 km/h) 19.69 m/s (70.89 km/h) 0.95 12 17.39° -87.16° 19.68 m/s (70.84 km/h) 21.42 m/s (77.12 km/h) 0.92 13 18.31° -88.08° 20.82 m/s (74.97 km/h) 25.73 m/s (92.61 km/h) 0.81 14 18.31° -86.67° 24.04 m/s (86.54 km/h) 32.24 m/s (116.06 km/h) 0.75 15 18.42° -86.73° 24.46 m/s (88.05 km/h) 33.71 m/s (121.37 km/h) 0.73 16 18.90° -85.81° 28.54 m/s (102.75 km/h) 39.68 m/s (142.85 km/h) 0.72 17 19.12° -85.26° 26.54 m/s (95.56 km/h) 37.25 m/s (134.11 km/h) 0.71 18 19.23° -83.10° 17.61 m/s (63.38 km/h) 17.65 m/s (63.54 km/h) 1.00 19 19.34° -84.34° 23.84 m/s (85.81 km/h) 28.1 m/s (101.16 km/h) 0.85 20 19.45° -85.86° 35.91 m/s (129.28 km/h) 49.42 m/s (177.92 km/h) 0.73 21 19.83° -84.02° 24.02 m/s (86.47 km/h) 26.14 m/s (94.09 km/h) 0.92 22 19.88° -86.46° 47.71 m/s (171.75 km/h) 50.97 m/s (183.5 km/h) 0.94 23 19.93° -86.13° 54.9 m/s (197.63 km/h) 61.98 m/s (223.12 km/h) 0.89 24 20.10° -86.40° 0 m/s (0 km/h) 0 m/s (0 km/h) 0.00 25 20.15° -83.96° 24.25 m/s (87.3 km/h) 27.52 m/s (99.06 km/h) 0.88 26 20.31° -86.19° 54.73 m/s (197.01 km/h) 63.76 m/s (229.53 km/h) 0.86 27 20.48° -83.75° 22.87 m/s (82.33 km/h) 25.08 m/s (90.3 km/h) 0.91 28 20.69° -84.78° 28.57 m/s (102.86 km/h) 35.93 m/s (129.35 km/h) 0.80 29 20.91° -84.02° 24.01 m/s (86.45 km/h) 26.38 m/s (94.98 km/h) 0.91 30 21.24° -84.61° 25.61 m/s (92.19 km/h) 30.27 m/s (108.96 km/h) 0.85 31 21.51° -84.40° 23.82 m/s (85.76 km/h) 26.48 m/s (95.32 km/h) 0.90 32 21.89° -83.20° 16.2 m/s (58.31 km/h) 17.46 m/s (62.86 km/h) 0.93 33 22.43° -84.56° 20.13 m/s (72.48 km/h) 21.13 m/s (76.07 km/h) 0.95 34 22.54° -84.61° 19.8 m/s (71.29 km/h) 20.63 m/s (74.26 km/h) 0.96 35 22.86° -88.68° 15.26 m/s (54.93 km/h) 17.92 m/s (64.51 km/h) 0.85 36 23.19° -87.43° 17.96 m/s (64.65 km/h) 19.33 m/s (69.6 km/h) 0.93 37 23.51° -86.89° 17.83 m/s (64.2 km/h) 17.88 m/s (64.36 km/h) 1.00 38 23.89° -88.25° 12.96 m/s (46.67 km/h) 14.38 m/s (51.78 km/h) 0.90 39 24.22° -88.52° 11.35 m/s (40.86 km/h) 12.81 m/s (46.1 km/h) 0.89 40 24.33° -87.87° 12.85 m/s (46.26 km/h) 13.18 m/s (47.46 km/h) 0.97

Las relaciones viento registrado-viento estimado que se presentan en la tabla 1 varían una de otras, teniendo

que el valor más bajo fue de 0.71 , es decir, se registró un viento 29% menor al estimado y en el caso opuesto

se registró un viento 19% mayor al estimado. Estos 40 puntos fueron tomados aleatoriamente, ya que el

modelo completo contiene más de 20,000 puntos, con un valor mínimo de RVTO = 0.69, un valor máximo de

RVTO = 1.21 y una media RVTO = 0.83. Estas diferencias se pueden dar por diversas causas como puede ser que

el modelo considera el centro del ciclón completamente circular cuando en la realidad tiene algunas

variaciones, o porque el comportamiento y trayectoria no son precisos.


9

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

México se ha visto afectado por un gran número de ciclones tropicales, ya sea por su impacto directo en

costas nacionales, es decir que el ojo del ciclón toca tierra, o por los ciclones que pasan muy cerca, con radios

de vientos mayores a 18 m/s (65 km/h). Se tienen registros que de 1851 hasta el 2010 han impacto 189

ciclones provenientes del Océano Atlántico, del mismo modo, aunque en un periodo más corto, de 1951 hasta

2010 han impacto el territorio nacional 168 ciclones que tuvieron su origen en el Océano Pacífico. En la

figura 10 se muestran las trayectorias de los ciclones tropicales que han impactado.

Con base en la información histórica, para este estudio se analizaron 10 ciclones tropicales que tuvieron

efectos en la Republica Mexicana, 5 con origen en el Océano Pacífico y 5 en el Océano Atlántico, dichos

fenómenos meteorológicos han registrados las mayores velocidades de viento al impactar. En la tabla 2 se

presentan estos ciclones.

Figura 10 Base de datos de ciclones tropicales que han impactado a México de 1851 a 2010

Tabla 2 Ciclones tropicales con los registros de vientos máximos

Nombre Año Origen Vientos máximos al impacto

Janet 1955 Atlántico 75 m/s (270 km/h) 53 m/s (193 km/h)*

Carmen 1974 Atlántico 62 m/s (222 km/h) Madeline 1976 Pacífico 64 m/s (230 km/h)

Gilbert 1988 Atlántico 80 m/s (287 km/h) 60 m/s (215 km/h)*

Pauline 1997 Pacífico 54 m/s (195 km/h) Kenna 2008 Pacífico 64 m/s (230 km/h) Wilma 2005 Atlántico 64 m/s (230 km/h) Lane 2006 Pacífico 57 m/s (204 km/h)

Dean 2007 Atlántico 72 m/s (260 km/h) 43 m/s (155 km/h)*

Jimena 2009 Pacífico 46 m/s (165 km/h) 18 m/s (65 km/h)*

*segundo impacto

Para los ciclones presentados en la tabla 2, se desarrollaron los modelos de campo de vientos durante sus

trayectorias. El objetivo es conocer la velocidad máxima necesaria para el cálculo de las fuerzas que actúan en

una estructura, de acuerdo a los criterios de diseño. De forma resumida se presentan dos ejemplos de estos


10

cálculos en las figuras 11 y 12. En ambas figuras se muestra la trayectoria del ciclón así como el campo de

vientos máximos calculados. La escala grafica corresponde a la escala en que se clasifican los ciclones

tropicales según la intensidad de viento. No obstante, a partir del 2012, se aplicará una escala modificada por

el Comité de Huracanes de la Asociación Regional IV de la Organización Meteorológica Mundial, la cual no

aplica para este trabajo ya que los ejemplos son de años anteriores.

Figura 11 Modelo de vientos máximos tras el paso del Huracán Gilbert 1988

Figura 12 Modelo de vientos máximos tras el paso del Pauline 1997


11

ESTIMACIÓN DEL DAÑO ESTRUCTURAL

Como se mencionó, el objetivo de este estudio es estimar el daño de las casetas de control (figura 3 y 4) que

se encuentran dentro de las subestaciones eléctricas.

Modelación de los marcos

El análisis y diseño estructural, así como la revisión de la capacidad de los elementos estructurales se realizó

con el programa STAAD.Pro. Se generaron varios modelos con velocidades de viento tanto mínimas como

máximas, tratando de abarcar las velocidades de viento estimadas para los 10 ciclones presentados en la tabla

2. En la figura 13 se muestra el modelo estructural de la caseta de control, mientras que en la tabla 3 se

presentan las secciones empleadas de los elementos estructurales. La revisión del nivel de trabajo de los

elementos se realizó siguiendo las recomendaciones de reglamento AISC, 2005.

Tabla 3 Sección de elementos estructurales

Elemento Sección

Columna OR 305X152X4.8 Trabe OR 305X152X4.8 Elemento secundario CE 152X19 Elemento de soporte CE 152X19

El resto de los elementos que integran la estructura son para dar soporte al sistema de muro y techo

prefabricado, ya que estos tipos de sistemas requieren elementos estructurales a cada distancia que sirven de

soporte y garantizan su desempeño constructivo.

Figura 13 Modelo y análisis de la estructura

Resultados obtenidos

El índice de daño de una estructura o de un componente por lo regular se representa por medio de gráficas,

que suelen mostrarse en forma de curvas o en su caso en líneas, que tienen características similares, dichas

características pueden ser:

Índice de daño estimado (ordenadas) como relación de un evento determinado (abscisas) bajo una

escala determinada

El índice de daño puede estar determinado con base a una consecuencia dada: estructural, económica,

funcional, etc.

Pueden ser para una estructura específica o para un grupo de estructuras con las mismas

características y localizadas en una zona determinada


12

Para este estudio, el daño que experimenta una estructura se representa a través de una relación, llamada

Índice de daño ID, lo que implica el costo de reparar el daño causado al sistema expuesto y el costo inicial de

la estructura. La relación puede representarse como:

IE

RDD

C

CI (1)

Donde:

RDC es el costo de reparar el daño

IEC es el inicial de la estructura

De esta forma, el daño se expresa como un porcentaje del valor total de la estructura. En la figura 14 se

muestra la curva utilizado en este estudio, que toma en cuenta el sistema estructural, los sistemas de muro y

techo, y los sistemas de puertas y ventanas.

Figura 14 Curva de estimación de daño

Del análisis representado en la figura 14, se aprecia como a partir de una velocidad de viento de 30 m/s

(108 km/h) la estructura comienza a presentar daños mínimos, a velocidades de 70 m/s (252 km/h) el daño se

aproximan al 50% del costo de la estructura y en vientos superiores a los 100 m/s (360 km/h) se presentan

daños severos en elementos estructurales y es muy probablemente que la estructura ya no pueda ser reparada.

Escenario de daños debido a un ciclón tropical

Para poder generar un escenario de daños en una región específica, debido a la amenaza de impacto de un

ciclón tropical, es necesario tener curvas de estimación de daño para los distintos sistemas estructurales y los

vientos probables máximos que afectaran a las estructuras. Una vez definida la curva de estimación de daño

para las casetas de control (figura 14) y los vientos máximos probables para los 10 ciclones tropicales

presentados en la tabla 2, representados gráficamente en las figuras 11 y 12, se obtienen los escenarios de

daños en algunas de las subestaciones de transmisión pertenecientes a CFE y distribuidas por todo México

(figura 15).

Con los resultados de los campos de vientos máximos estimados que se generaron para cada uno de los 10

ciclones tropicales, se determinó el escenario de daño que puede presentarse en las subestaciones, siempre y

cuando exista una estructura similar dentro de las instalaciones.


13

Figura 15 Ubicación de subestaciones de transmisión

Sin embargo, para tener una idea más clara y precisa, basado en los resultados obtenidos con la curva de

estimación de daño, se utiliza una matriz de daño para puntualizar los intervalos de estimación esperada.

Dicha matriz se presenta en la tabla 4, con 6 intervalos propuestos con la escala de daño, asociados a una

descripción basándose en los resultados de daño. Posteriormente se presentan las figuras 16 y 17, en donde se

muestra el escenario de daños esperados tras el paso de un ciclón en las subestaciones de transmisión que se

encontraran en el radio de vientos estimados. En la tabla 5 se presentan algunos de los resultados obtenidos

para las subestación que se encuentran dentro de los campos de vientos máximos estimados.

Tabla 4 Matriz de daño

Rango de ID Estado de Daño Descripción

0.00 – 0.05 Ninguno Sin ningún daño.

0.05 – 0.20 Mínimo Algunas ventanas rotas y puertas dañadas. Daños mínimos en muros.

0.20 – 0.35 Menor

50% de los muros prefabricados dañados y algunas secciones del techo. Daños en elementos secundarios.

0.35 – 0.50 Moderado

Mas del 80% de muros y techos dañados, Daños fuertes en elementos secundarios y de soporte. Por el costo de los elementos prefabricados el costo de reparación se aproxima al 50% del costo de la estructura total.

0.50 – 0.65 Severo

Muros y techo completamente destruidos, daños en elementos estructurales principales. Debido al costo de reparación puede ser más económico construir nuevamente la estructura que repararla.

0.65 – 1.00 Total Colapso total de la estructura.


14

Tabla 5 Estimación de daño en subestaciones tras el impacto de un ciclón tropical

Océano Ciclón tropical Año Subestación vulnerable Latitud Longitud Estimación de daño

AT

LÁ

NT

ICO

Janet 1955

S.E. Lerma 19.77 -90.61 0.23 S.E. Champoton 19.31 -90.72 0.43 S.E. Sabancuy 18.91 -91.26 0.19

S.E. West 18.06 -88.60 0.49 S.E. Escarcega 18.64 -90.83 0.34

Carmen 1974

S.E. Palyuc 19.47 -88.49 0.16 S.E. Lázaro Cárdenas 19.14 -88.43 0.28

S.E. Xul-Ha 18.75 -88.36 0.44 S.E. Insurgentes 18.57 -88.38 0.44

S.E. Chetumal Norte 18.56 -88.27 0.21

Gilbert 1988

S.E. Puerto Juárez 21.36 -86.95 0.27 S.E. Balam 21.28 -87.24 0.47

S.E. Popolna 21.22 -87.59 0.70 S.E. Bonampak 21.22 -86.87 0.27

S.E. Cancún 21.09 -86.90 0.32

Wilma 2005

S.E. Iberostar 20.59 -87.15 0.71 S.E. Playa del Carmen 20.52 -87.24 0.63

S.E. Calica 20.46 -87.33 0.52 S.E. Tulum 20.38 -87.47 0.40

S.E. Cozumel 20.39 -86.99 0.77

Dean 2007

S.E. Palyuc 19.47 -88.49 0.43 S.E. Lazaro Cardenas 19.14 -88.43 0.71

S.E. Xul-Ha 18.75 -88.36 0.52 S.E. Insurgentes 18.57 -88.38 0.45

S.E. Chetumal Norte 18.56 -88.27 0.38

PA

CÍF

ICO

Madeline 1976

S.E. San Isidro 18.02 -102.47 0.33 S.E. Sicartsa 18.00 -102.38 0.37 S.E. Fertimex 17.98 -102.29 0.40

S.E. NKS 18.00 -102.24 0.38 S.E. Lázaro Cárdenas 17.97 -102.17 0.40

Pauline 1997

S.E. Santa Rosa 15.83 -96.92 0.30 S.E. Puerto Escondido 15.71 -96.45 0.55

S.E. Pochutla 15.93 -96.03 0.30 S.E. Huatulco 15.93 -95.91 0.27 S.E. Conejos 16.04 -95.90 0.21

Kenna 2002

S.E. Servicio Aguamilpa 21.83 -104.73 0.38 S.E. Acuamilpa 21.77 -104.61 0.30

S.E. Tepic II 21.51 -104.97 0.20 S.E. Las Brisas 21.43 -104.94 0.16

S.E. Tepic I 21.49 -104.71 0.18

Lane 2006

S.E. Navolato 24.63 -106.90 0.28 S.E. Higuera 24.56 -106.95 0.32

S.E. Culiacan II 24.52 -107.33 0.38 S.E. Culiacan Pot. 24.47 -106.97 0.39 S.E. Costa Rica 24.35 -107.54 0.42

Jimena 2009

S.E. Pes 25.84 -111.43 0.08 S.E. Sto. Domingo 25.58 -111.99 0.10 S.E. Insurgentes 25.37 -111.90 0.16 S.E. San Carlos 25.27 -112.07 0.20

S.E. Villa Constitución 25.18 -111.86 0.23

En la figura 16 se presenta el escenario de daños estimado tras el paso del huracán Wilma (2005), si se

observa la tabla 4, la subestaciones que presentaría el mayor índice de daño ID = 0.77 es la S.E. Cozumel, la

cual se encuentra ubicada en la Isla de Cozumel. El intervalo de daño que le correspondería es el de “Daño

Total”. Por otra parte, en la figura 17 se presenta la misma situación para el huracán Pauline (1997), de la

tabla 4, se observa que el ID = 0.55 es el mayor y le corresponde a la S.E. Puerto Escondido y el intervalo

corresponderá a un “Daño Severo”.


15

Figura 16 Escenario de daños para Wilma 2005

Figura 17 Escenario de daños para Pauline 1997


16

CONCLUSIONES

El modelo paramétrico empleado para obtener los campos de vientos máximos estimados dado un ciclón

tropical que se dirige a costas nacionales, puede servir como una herramienta práctica para predecir los radios

de viento o velocidades máximas, que pueden usarse para la construcción de escenarios de daño.

La curva de índice de daño obtenida sólo es aplicable para el modelo de la caseta de control, bajo las

condiciones y criterios de diseño estructural mencionadas en el trabajo. Puede servir como guía para obtener

curvas similares para otro tipo de estructuras que se consideren importantes dentro del sector energético, ya

que este sector es uno de los más vulnerables ante los embates de estos fenómenos meteorológicos.

La estimación de un escenario de daños puede ayudar en la toma de decisiones, para elaborar medidas de

mitigación que pueden servir para reducir los efectos de los ciclones tropicales en los sistemas estructurales

que se encuentran en sus trayectorias. Uno de los usos más importantes de este tipo de estudios es en la

elaboración de planes de actuación para la reparación y recuperación del servicio eléctrico.

Con el análisis de los ciclones tropicales, se puede observar que hasta la fecha los ciclones con origen en el

Océano Atlántico representan una mayor amenaza para el territorio nacional, ya que tienen la posibilidad de

originarse muy lejos de México e ir absorbiendo energía para impactar en territorio nacional, convirtiéndose

en ciclones catastróficos.

REFERENCIAS

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Specification AISC/AISC 360-05, March.

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Subestaciones Eléctricas”, Mayo.

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máxima probable de los Seguros de huracán y/u otros riesgos hidrometeorológicos”, Anexo 7.9.1,

Diciembre.

Comisión Federal de Electricidad – Instituto de Investigaciones Eléctricas (2008), “Manual de Diseño de

Obras Civiles, Diseño por Viento”, Sección C, Tema 1, Capítulo 4.

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Management Agency, Mitigation Division, Washington, D.C., May.

Guzmán B.M.A., Mendoza B.J, Vilar R.J.I., García C.J.S. (2012), “Apoyo técnico para el desarrollo de

proyectos de modernización de obra civil en subestaciones eléctricas de la Zona Metropolitana del Valle

de México”, Informe IIE/42/14139/I001/F/DC, Junio.

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Atmospheric and Administration (2012). Pagina Web: http://www.aoml.noaa.gov/hrd/.

López D.H., Godoy A.L., “Metodología para la estimación de daños estructurales ocasionados por

vientos huracanados en edificaciones industriales”, Rev. Int. de Desastres Naturales, Accidentes e

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Politécnica de Catalunya. Departamento de Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica. Barcelona,

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