Trabajo Técnico No. 4 Consideraciones de diseño para

Trabajo Técnico No. 4
Consideraciones de diseño para condensadores
evaporativos en zonas sísmicas severas y con
aplicaciones de carga de viento
Jeffiey W. Nank
Bob Shriver
Evapco, Inc.
Westminster, MD
Traducido por:
Jorge Hernandez
Regional Managers
Miami, FL
Resumen
Experiencias desafortunadas del pasado han dejado en evidencia que, a pesar de que las estructuras
son diseñadas siguiendo rigurosas y detalladas especificaciones de resistencia a cargas sísmicas
y de viento, las especificaciones de los equipos mecánicos que en ellas se encuentran suelen ser
vagas e incompletas. En las aplicaciones donde estas cargas pueden considerarse severas es de gran
importancia asegurarse de que los equipos mecánicos soporten de igual forma las exigencias.
En el presente documento se pretende explicar de forma detallada los procedimientos de cálculo
recomendados en el Código de Construcción Uniforme (UBC) para la estimación de las cargas
sísmicas y de viento para las cuales deben especificarse y diseñarse los equipos mecánicos en cada
aplicación determinada, haciendo especial énfasis en los condensadores evaporativos. De igual forma
se establecen algunas consideraciones de diseño especiales que deben tenerse en cuenta para lograr
que los equipos soporten dichas cargas severas de forma adecuada.
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Consideraciones de diseño para condensadores evaporativos en zonas sísmicas severas y con
aplicaciones de carga de viento
Introducción
A las 4:31 am del 17 de enero de 1994, la tierra tembló en una zona al noroeste
de Los Ángeles conocida como Northridge. Fue titular principal de las noticias y
se convirtió en uno de los terremotos más devastadores de la historia reciente.
Una de las edificaciones que presentó fallas más notables fue un gran centro de
telecomunicaciones en Sherman Oaks, ubicado cerca del epicentro del terremoto.
Debido a la naturaleza crítica de este edificio, fue diseñado originalmente para
ser a “prueba de bombas”. Albergaba las principales computadoras destinadas
a la conmutación y facturación telefónica para el área de Los Ángeles. No tenía
ventanas, contaba con muros de dos pies de espesor y una gran estructura de
soporte construida alrededor del hueco del ascensor. A pesar de que el edificio fue
diseñado y construido para soportar un evento sísmico importante, la estructura
sufrió daños considerables.
Tal vez lo más interesante, desde nuestra perspectiva, es que el equipo mecánico fue
especialmente afectado y fue prácticamente destruido. Equipos situados en el techo
y en el sótano sufrieron daños sustanciales. En este caso se tenía una estructura
diseñada con una enorme atención en la especificación estructural debido a su
operación crítica; sin embargo, no hubo detalles en la especificación original con
respecto a la resistencia sísmica de los equipos mecánicos.
¿Cómo podría pasar algo como esto? ¿Cómo podría haber tantos detalles con respecto
a la estructura en sí mientras prácticamente se ignora el equipo mecánico? Existen
dos respuestas.
En primer lugar, parece que, si bien el Código de Construcción Uniforme (UBC) es
bastante claro en sus directrices relativas a los requerimientos según zona sísmica
y de cargas de viento, muchas especificaciones de ingeniería que referencian dichas
directrices son vagas e incompletas. Una especificación que simplemente declare
que el equipo mecánico debe cumplir con requerimientos de “Zona Sísmica 4” o una
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“carga de viento de 100 MPH” no provee la información adecuada para determinar el
tipo de equipo necesario o las modificaciones necesarias para satisfacer la demanda
real de la aplicación específica.
En segundo lugar, los fabricantes de equipos mecánicos han ignorado, en su mayoría,
las aplicaciones con cargas sísmicas severas y con cargas de viento en el diseño
de sus equipos montados en fábrica. Equipos autónomos con los apoyos internos
necesarios no son diseñados de forma rutinaria y, por tanto, no son suministrados de
forma rutinaria para estos tipos de aplicaciones. Hasta ahora, los fabricantes se han
basado en amarres, refuerzos externos, o el blindaje de sus equipos para cumplir con
la intención de las directrices generales especificadas.
Comprendiendo cálculos para zonas sísmicas y cargas de viento
según la UBC
La Conferencia Internacional de los Oficiales de Construcción ha desarrollado el
Código de Construcción Uniforme (UBC) para proporcionar directrices de diseño de
ingeniería estructural en un esfuerzo por proteger la vida humana. Porciones de este
código se aplican a todas las estructuras de los edificios y los equipos mecánicos,
tales como condensadores evaporativos, en regiones propensas a los terremotos
y huracanes. Si bien hay numerosos códigos regionales y locales que también se
aplican, la mayoría de ellos son bastante similares al UBC. El Código de Construcción
Uniforme es, sin duda, el más universal y ampliamente aceptado. Por lo tanto, una
comprensión adecuada de este código en su relación con los sismos y la carga de
viento es fundamental.
La UBC incluye una sección titulada “Fuerza Lateral sobre Elementos de Estructuras,
Componentes no estructurales y Equipos soportados por estructuras” (1). Esta
sección se aplica a equipos mecánicos y detalla los cálculos necesarios para
desarrollar las especificaciones adecuadas de los equipos.
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UBC Sección 1630.2–Cálculos para zonas sísmicas
La UBC define la fuerza sísmica lateral total de diseño requerida con la siguiente
fórmula:
Fp = ZIp Cp Wp
Donde:
Fp = Fuerza Lateral
Z
= Factor de Zona–depende de la ubicación
Ip = Factor de Importancia–establece un factor de “seguridad” para
el equipo
Cp = Factor de fuerza Horizontal–depende de los equipos y del montaje
Wp = Peso del equipo
La fuerza sísmica lateral total de diseño, en libras, se calcula por la fórmula anterior,
pero ésta a menudo se expresa como un porcentaje del peso de los equipos, dado en
valores de “G”.
Fp/Wp = ZIp Cp
¿Qué es una «G»? Este es un término que se asocia a menudo con un piloto de
combate. Un piloto en un F-16 puede generar alrededor de 9G en una curva cerrada.
Una carga de 9G significa que el piloto es empujado por una fuerza igual a 9 veces
su peso hacia el exterior de la curva. Si una carga de 9G es aplicada horizontalmente
sobre un condensador evaporativo, hay una fuerza lateral aplicada a la unidad igual a
9 veces su peso. En términos simples, los Gs son un multiplicador de peso.
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Nueve Gs es una carga extrema para un equipo mecánico. Para entender mejor el
efecto de los Gs en un condensador evaporativo, será considerada una cifra más
realista de 1G. Las fuerzas G siempre actúan a través del centro de gravedad. Con
una fuerza de 1G, la unidad tendría que soportar su peso en la dirección lateral. Para
representar esto mejor, imaginemos que un condensador está montado en una pared
vertical. Como la unidad se cuelga en la pared, la gravedad de forma natural se tira
de la unidad. La atracción de la gravedad sería una vez el peso de la unidad, o 1G.
En un condensador tradicional, con la pesada sección del serpentín montada en la
parte superior, la atracción de la gravedad genera una tensión significativa sobre la
estructura interna de la unidad que debe sostener esta cantidad de peso.
El Factor de Zona (Z)
El factor de zona está en función de la geografía. Específicamente, ¿cuál es la
ubicación geográfica del edificio? En la Figura 16-2 de la UBC (Figura 1) un mapa de
los Estados Unidos especifica las zonas sísmicas. A cada zona se le da un valor de
factor Z basado en la Tabla 16-1 (Figura 2). Esta variable hace referencia al riesgo y
la gravedad de la fuerza potencial en cada ubicación geográfica. El peor de los casos
sería, por ejemplo, un edificio en Los Ángeles que se encuentra en Zona Sísmica 4 y
tiene un valor de Z = 0.4.
Factor de importancia (Ip)
El factor de importancia establece un factor de “seguridad” para la instalación en la
cual el equipo será montado. La Tabla 16-K del Código de Construcción Uniforme
(Figura 3) indica factores que van de 1.0 a 1.50 basados en lo importante que
se considere que la estructura sobreviva un evento sísmico. Por ejemplo, a las
edificaciones de Bomberos, Policía, y Servicios de Emergencias Médicas se les asigna
un factor de importancia de 1.50. A las estructuras que albergan sustancias peligrosas
se les asigna un factor de 1.50. La mayoría de las demás estructuras residenciales e
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industriales se clasifican con un factor de 1.0. Sin embargo, este factor está sujeto a
interpretación y no se limita necesariamente al valor de 1.50.
Factor de fuerza horizontal (Cp)
El factor de fuerza horizontal es dependiente del tipo de equipo, la frecuencia natural
del equipo, y la estructura sobre la que se monta el mismo. En la Tabla 16-0 de la
UBC (Figura 4) se encuentran factores que van desde 0.75 hasta 2.00, para equipos
mecánicos tales como la mayoría de condensadores evaporativos, considerados
como no rígidos o de apoyo flexible, para los cuales se tiene un factor de 0.75. Sin
embargo, ciertos tipos de equipos y sus soportes tienden a magnificar el efecto de la
cargas G de un terremoto. El Código establece que “en la ausencia de un análisis o
datos empíricos, el valor de Cp para el equipo no rígido o de apoyo flexible situado
por encima del suelo en una estructura, será tomado como el doble del valor que
aparece en la Tabla 16-0, sin superar 2.0” (2). Algunos propietarios pueden tener
información de análisis dinámico de su edificio, pero esto es raro. Por lo tanto,
utilizando la “Regla del doble del valor de la tabla” el valor del factor de fuerza en la
mayoría de los condensadores evaporativos sería de 1.50.
Peso del equipo (Wp)
En pocas palabras: el peso del equipo en operación expresado en libras. Como ya se
ha señalado, el factor de carga sísmica es calculado normalmente como un porcentaje
del peso del equipo y por lo tanto, esta información no es necesaria para determinar
el valor de G.
Un ejemplo
Un condensador evaporativo de amoníaco es instalado en el techo de la sala de
máquinas para un almacén refrigerado ubicado en el sur de California. De la Figura
1, se determina que se ubica en la zona 4, que hace referencia a un Factor de Zona
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(de la Figura 2) de Z = 0.4. De la Figura 3, se determina que el factor de importancia
es Ip = 1.50. Si el análisis dinámico del edificio no está disponible, entonces de la
Figura 4 se determina que el factor de fuerza horizontal sería Cp = 1.50 (usando la
regla del valor doble de la tabla). Por lo tanto, la fuerza sísmica sería:
Fp = ZIpCpWp
Recuerde, esta fórmula determina la fuerza sísmica lateral total de diseño y es
expresada como un porcentaje del peso del equipo dado en Gs. Por lo tanto:
F / Wp = 0.4 x 1.50 x 1.50 = 0.9G
Es decir, el condensador evaporativo debe ser diseñado para soportar una fuerza
lateral u horizontal de 0.9 veces su peso. La mayoría de los condensadores estándares
ensamblados en fábrica son fabricados para soportar aproximadamente de 0.3 a
0.5Gs. Como este ejemplo no está fuera de lo normal, es evidente que se debe tener
cuidado en la selección de equipos para este tipo de aplicaciones.
En otro ejemplo, si un supermercado al final de la calle del mismo almacén
refrigerado localizado en Los Ángeles tiene un condensador evaporativo R- 134A
ubicado dentro de la sala de máquinas a nivel del suelo, el cálculo sería: la ubicación
aún seria en la Zona 4, por lo tanto Z = 0.4, el factor de importancia sería Ip = 1.0 y
el factor de fuerza lateral sería Cp = 0.75. Entonces:
F / Wp = 0.4 x 1.0 x 0.75 = 0.3G
Es importante ver que ambos condensadores evaporativos están localizados en la
zona sísmica 4, sin embargo, los Gs calculados son significativamente diferentes.
De hecho, dentro de la Zona 4 es posible calcular un rango de aceleración
horizontal desde 0.3G hasta 0.9G o mayor dependiendo del método de instalación y
de la interpretación de la importancia del equipo mecánico.
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Este ejemplo muestra que es insuficiente especificar una pieza del equipo simplemente
como “Zona sísmica 4”. La fórmula total, con cada uno de los factores incluidos, debe
ser calculada para determinar la fuerza sísmica lateral total del diseño.
Sección UBC 1618–Cálculo de la presión de viento de diseño
Además de las fuerzas sísmicas, el Código de Construcción Uniforme define también
cuánta fuerza se debe esperar del viento. Cuando el viento sopla, se ejerce una
fuerza sobre el objeto indicado en libras por pie cuadrado (PSF). La fuerza del viento
depende de la velocidad, forma y área frontal del objeto. La UBC define la carga de
viento a través de la siguiente fórmula:
P = qsCeCqIw
Donde:
P
= Presión de viento de diseño calculada
qs =Presión de estancamiento–presión asociada con la velocidad básica
del viento
Ce =
Cq
= Coeficiente de presión–factor de forma
Iw
=Factor de importancia–establece un factor de “seguridad” para
el equipo
Factor de combinación – combinación de altura, ráfaga y factor
de exposición
Presión de viento de diseño (P)
Este cálculo define cuanta fuerza a esperar del viento, expresado en libras por pie
cuadrado o psf.
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Presión de estancamiento (qs)
Al igual que en el cálculo sísmico, la geografía también juega un papel en la carga
de viento. El Código de Construcción Uniforme proporciona un mapa, figura 16-1
(Figura 5), que relaciona la velocidad específica del viento con una ubicación
específica. Cada velocidad del viento tiene también una presión de estancamiento
asociada. La Tabla 16-F (Figura 6) asigna a la presión de estancamiento su
correspondiente velocidad del viento. Tradicionalmente, una vieja regla establece
que 100 mph equivale a 30 psf. Este valor se aproxima a aquellos encontrados en la
tabla del UBC, sin embargo no tiene en cuenta los otros factores que intervienen en
el cálculo global.
Factor de combinación (Ce)
El factor de combinación, encontrado en la Tabla 16-G de la UBC (Figura 7), otorga
un valor entre 0.62-2.34 basado en la combinación de la altura, ráfaga y la exposición
de la aplicación. A medida que la altura sobre el nivel del suelo aumenta, tanto la
velocidad del viento como de la ráfaga aumentan. La exposición es una función de
la ubicación específica. Una estructura situada en el centro de la ciudad tiene una
exposición diferente a una en campo abierto o cerca de una costa del océano.
Coeficiente de presión (Cq)
El coeficiente de presión es un factor basado en la forma del equipo. Este valor
puede ser encontrado en la Tabla 16-H (Figura 8). La mayoría de los condensadores
evaporativos tienen la forma de una caja cuadrada y por lo tanto tienen un
coeficiente de 1.3. Este valor se utiliza para todas las estructuras rectangulares
con menos de cuarenta pies de altura. Como punto de referencia, un objeto
más aerodinámico como un coche de tamaño medio tendría un coeficiente de
aproximadamente 0.3.
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Factor de importancia (Iw)
Esto es similar al factor de importancia para el cálculo de la zona sísmica.
Nuevamente, está basado en cuán importante es que el equipo pueda soportar la
presión del viento de diseño. La Tabla 16-K (Figura 3) muestra las variables para
determinar el factor de importancia de una aplicación específica. Los factores
de importancia varían entre 1.0 para estructuras “sin importancia” y 1.15 para
aplicaciones críticas. Este valor es algo subjetivo y no está necesariamente limitado al
valor 1.15. Puede ser incrementado dependiendo del valor que tenga el equipo para
el propietario.
Un ejemplo
Un condensador evaporativo de amoníaco se encuentra en el techo de una gran
instalación de procesamiento de comida de varios pisos a las afueras de Atlanta
en el estado de Georgia. De la Figura 5, la velocidad de viento de diseño para esta
ubicación se toma como 80 mph. La presión de estancamiento correspondiente
encontrada en la Figura 6 muestra que qs = 16.4 libras por pie cuadrado. Teniendo
en cuenta la altura del edificio y su ubicación lejos de la ciudad, el factor de
combinación dado en la Figura 7 es Ce = 1.79. El coeficiente de presión es Cq = 1.3
tal como se encuentra en la Figura 8. El factor de importancia de una instalación que
usa amoniaco, tal como se encuentra en la Figura 3, es Iw = 1.15. Por lo tanto:
Es importante señalar que la velocidad del viento de diseño tomada directamente
del mapa (80 mph) tiene una presión de estancamiento correspondiente de solo 16.4
libras por pie cuadrado. Este no es el criterio correcto bajo el cual debe diseñarse el
equipo. De hecho, una vez que se aplican todos los factores, el cálculo da lugar a una
presión que es más de dos veces y media mayor que la presión base. La clave es que
incluso con una velocidad de viento de diseño tan baja como 80 mph, una vez que
la unidad se encuentra en el techo y en una instalación considerada importante, la
presión de viento de diseño resultante se vuelve significativamente mayor.
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Como un ejemplo adicional, un condensador evaporativo es apoyado sobre una base
de acero estructural diez pies por encima del suelo al lado de la sala de máquinas de
una bodega de almacenamiento en frío en la misma zona a las afueras de Atlanta,
GA. Todos los factores seguirían siendo los mismos del ejemplo anterior, excepto el
factor de combinación. Debido a que el condensador se encuentra ubicado cerca del
suelo el factor combinación de la Figura 7 es Ce = 1.19 haciendo que la presión de
diseño calculada sólo sea de 29.2 libras por pie cuadrado.
Consideraciones de diseño del equipo
Basados en los cálculos adecuados según los criterios de diseño de la UBC para zonas
sísmicas y cargas de viento, es evidente que existe la posibilidad de que se apliquen
cargas sísmicas y de viento severas sobre los condensadores evaporativos. Como ya
se ha señalado, es posible tener un requisito sísmico de hasta 0.9Gs y requerimientos
de carga de viento que superan las 80 libras por pie cuadrado. Si la comunidad de
ingenieros empezara a especificar equipos basados en estos cálculos, ¿hay equipo
disponible para cumplir con estos criterios?
Equipamiento estándar
La mayoría de los condensadores evaporativos son fabricados para soportar el rigor
de las aplicaciones industriales. Debido a la naturaleza de los equipos, las secciones
de la bandeja se construyen para soportar el peso del serpentín de arriba, así como el
peso de una gran cantidad de agua estancada. Los paneles de revestimiento exterior
también se fabrican a partir de acero de grueso calibre para ayudar con el apoyo del
peso del serpentín y para soportar el clima y las condiciones al aire libre.
La construcción para servicio industrial de la mayoría de los condensadores
evaporativos permite cierta tolerancia a la fuerza lateral sísmica y la carga de viento.
Debido a este tipo de construcción, muchos condensadores evaporativos soportarán
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hasta 0.5Gs de fuerza sísmica lateral aproximadamente y una carga de viento de 30
libras por pie cuadrado, o las tradicionales 100 mph.
Para la mayoría de aplicaciones de todo el país, estos diseños serían adecuados. Pero,
como ya se ha discutido, hay una serie de aplicaciones donde se requiere un diseño
mucho más fuerte.
Modificaciones externas
La UBC no pretende necesariamente que todos los equipos, o que todas las partes
del equipo, sean diseñados para las fuerzas sísmicas. Sin embargo, la UBC requiere
que las conexiones para equipos permanentes soportados por una estructura
sean diseñadas para resistir las fuerzas tal como se determina en los cálculos
anteriores. En estos casos, los fabricantes han confiado tradicionalmente en un
número de modificaciones externas a sus unidades para cumplir con la intención
de la especificación y del código de construcción. Las modificaciones externas de
condensadores evaporativos se dividen en tres categorías: los pernos de montaje,
refuerzos y el blindaje.
Pernos de montaje: Durante muchos años, el equipo ha sido proporcionado usando
pernos adicionales en el montaje para satisfacer los requisitos de carga sísmica
lateral y fuerza de viento establecidos por la UBC. Mientras los pernos adicionales
ayudarán a cumplir los requisitos para el “momento de vuelco” (es decir, la fuerza
ejercida para volcar la unidad), no logran que se cumpla con toda la intención de la
especificación. Es decir, los pernos adicionales en el montaje no lograrán que toda
la estructura (unidad) se mantenga intacta durante un evento. La experiencia ha
demostrado que algunos condensadores han sido arrancados totalmente de sus bases
dejando sólo una pequeña porción de la carcasa exterior unida directamente a los
pernos de montaje.
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Arriostramiento: Utilizar soportes externos en un condensador evaporativo es muy
similar a usar retenidas de alambre para sostener una gran antena. Se conectan
cables de alambre fuerte desde puntos del edificio a diversas posiciones alrededor de
la unidad. El refuerzo externo puede ser utilizado efectivamente para cumplir con los
requerimientos sísmicos y de carga de viento; desafortunadamente, es específico a la
locación debido a los diferentes métodos de construcción, materiales de construcción
utilizados y la ubicación del condensador en el edificio. No todas las aplicaciones
permitirán utilizar el reforzamiento externo.
Blindaje: Algunas veces, los condensadores evaporativos han sido ubicados en
lugares que tratan de protegerlos de los efectos del viento con el fin de cumplir con
las aplicaciones de cargas de viento fuertes. Paredes han sido puestas alrededor
de algunos o, en algunos casos, de todos los lados del condensador de modo que
las paredes resistan la presión del viento en lugar de que lo haga la propia unidad.
Mientras que algunos códigos locales permiten esto, el Código de Construcción
Uniforme establece específicamente que “No se aplicará ninguna reducción en la
presión del viento por el efecto de blindaje de las estructuras adyacentes”. (3)
En casos donde fallas estructurales del sistema de resistencia de fuerza lateral de
equipos no rígidos generasen una amenaza a la vida (donde el fallo estructural
representaría una amenaza directa a los ocupantes si las partes del equipo se
desprenden y caen, o si todo el equipo se desliza, se derriba, bloquea un medio de
salida, libera una sustancia tóxica, o deja de funcionar en sistemas de seguridad
especiales para instalaciones de emergencia) el Código requerirá que tales sistemas, y
todos sus componentes, sean diseñados para las fuerzas sísmicas prescritas.
Diseñando para cumplir las especificaciones
En la introducción de este documento, la falla de una estructura crítica de
telecomunicaciones fue discutida. Con el fin de retomar actividades y superar las
ineficiencias pasadas en el edificio y sus especificaciones mecánicas, el propietario
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del edificio contrató a Stone y Webster Engineering Corporation para revisar,
analizar y restaurar el edificio. Además de la construcción, Stone y Webster tenía
la responsabilidad de asegurar que todo el equipo mecánico nuevo sobreviviera al
próximo terremoto. Como resultado, una nueva especificación y diseño de equipo
fue desarrollado.
El primer paso fue establecer el criterio de diseño para el equipo. El punto de partida
fue utilizar como referencia los niveles de aceleración reales medidos en el edificio de
telecomunicaciones durante el terremoto de Northridge. Estos niveles fueron medidos a
0.9Gs horizontales y 0.3Gs verticales. Debido a que los niveles fueron superiores a las
especificaciones típicas de la Zona 4, se determinó utilizar los niveles reales como guía.
Por lo tanto, el criterio de diseño fue establecido a 1.0G horizontal más 0.3G ortogonal
horizontal, más 0.5G vertical, todos actuando sobre la unidad simultáneamente.
Ortogonal horizontal es definido en la UBC como aquellas fuerzas adicionales actuando
en forma perpendicular, o en un ángulo de 90 grados, sobre la fuerza horizontal
principal (4). Obviamente, este criterio de diseño fue bastante severo.
Una vez establecidos los criterios de diseño, Stone y Webster realizaron una larga
serie de análisis por computadora y modelación computarizada del equipo. Este
fue un paso importante y necesario debido a que la combinación de las fuerzas
horizontal, ortogonal horizontal, y vertical, todas actuando simultáneamente, resultó
en un requerimiento para el cálculo de 36 direcciones diferentes por cada junta
estructural en la unidad.
Después de realizar numerosos cálculos, no fue sorprendente encontrar que
modificaciones significativas tendrían que ser realizadas sobre una unidad estándar
con el fin de cumplir con el criterio de diseño. Los paneles externos en la carcasa,
esquinas de la bandeja, postes de esquina, refuerzos intermedios y gran parte del
hardware requerían diseños nuevos.
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El cambio más significativo de la unidad estuvo relacionado con el refuerzo interno.
Fueron requeridos numerosos soportes de apoyo adicionales. Los soportes son
necesarios para transferir las fuerzas de lado a lado y de extremo a extremo de la
unidad. Los soportes tenían que ser fabricados en un material más pesado que
el estándar y debido a las limitaciones de espacio se hizo necesario proporcionar
construcciones soldadas en lugar de construcciones estándares atornilladas.
La bandeja, o colector, también tuvo que ser modificada de manera significativa.
Debido a que todas las fuerzas eventualmente convergerán en la parte inferior de la
unidad, el número y tamaño de los pernos de montaje tuvieron que ser aumentados
para evitar que las fuerzas arrancaran los soportes del colector. Como ejemplo,
algunos tirantes tenían que soportar hasta cuatro veces el peso de la unidad. La
resistencia a los esfuerzos de arrancamiento y de flexión de la bandeja también fue
incrementada. En consecuencia a las grandes zonas de tensión concentrada, placas
de refuerzo soldadas de calibre pesado tuvieron que ser añadidas en varios lugares
significativos. Estas placas de respaldo proporcionaron también resistencia extra al
desgarro para los pernos de anclaje de acero. El calibre del material de las placas de
los paneles de la bandeja también fue incrementado.
Las columnas verticales internas fueron también reforzadas con el uso de más
tornillería y material de soporte adicional de alto calibre.
Una vez completadas todas las modificaciones a la unidad, los cálculos fueron
revisados nuevamente acorde con el nuevo diseño. Una unidad prototipo que
incorporaba todas las modificaciones fue construida y puesta bajo una serie de
pruebas que medían con precisión la tolerancia a las fuerzas de diseño en las
direcciones más críticas. Estas pruebas incluían someter al prototipo a cargas reales
a través del uso de marcos de plantilla especiales, conectores y cables. Numerosas
medidas fueron reunidas para comprobar que la unidad alcanzaba o superaba las
deflexiones y esfuerzos requeridos. Las pruebas fueron diseñadas, monitoreadas
y certificadas por Stone y Webster. La finalización exitosa de las pruebas mostró
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que una unidad podía ser diseñada y fabricada, sin modificaciones externas, para
satisfacer y superar los requisitos sísmicos más duros establecidos en el Código de
Construcción Uniforme.
Ahora que una unidad ha sido construida para soportar una carga sísmica horizontal
de 1.0G, una serie de cálculos basados en las nuevas modificaciones del diseño
podrían ser analizados para determinar la relación con la carga de viento. Las
fuerzas sísmicas ejercen carga sobre la unidad de adentro hacia afuera. Estas están
concentradas en el centro de gravedad de la unidad y son medidas en Gs mientras
que la carga de viento ejerce fuerzas en la unidad desde el exterior. Estas últimas se
concentran en el centro de la superficie externa y se miden en libras por pie cuadrado
o psf, por sus siglas en inglés. Por lo tanto, a través de numerosos cálculos, fue
posible determinar que el nuevo diseño sísmico también podría soportar una carga
de viento de 125 libras por pie cuadrado.
Anteriormente se señaló que la presión del viento de diseño puede estar relacionada
con la velocidad del viento. Basado en la tabla de la UBC, un viento con una fuerza
de 125 libras por pie cuadrado es equivalente a una velocidad de 200 millas por hora.
Pero hay mucho más en esto que esta simple equivalencia. De hecho, utilizando
todos los factores mínimos del Código Uniforme de Construcción, una velocidad
de viento de 246 millas por hora se puede considerar equivalente a una presión de
viento de 125 libras por pie cuadrado.
Conclusiones
1. El Código de Construcción Uniforme, con más de 70 años y reconocimiento
a nivel nacional, se utiliza comúnmente para desarrollar especificaciones de
zonas sísmicas y cargas de viento para edificios y sus equipos asociados.
2. Mientras que la UBC es clara en sus directrices y fórmulas en relación con estos
diseños, muchas especificaciones no son claras o están incompletas en cuanto a
los requerimientos reales de los equipos para aplicaciones específicas.
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3. Dentro de una zona sísmica específica, la aceleración horizontal real
calculada puede variar ampliamente. (La zona sísmica 4 puede tener un
rango entre 0.3G a 0.9G o superior). Asimismo, es posible tener un amplio
rango en la presión de viento calculada en una zona de velocidad de viento
dada. (Una zona con velocidad del viento de 80 millas por hora podría tener
una presión de 43.9 psf, lo que equivale a una velocidad del viento de 135
millas por hora).
4. Los Ingenieros, trabajando en conjunto con el propietario, son los
únicos capaces de hacer las determinaciones correctas con respecto a las
especificaciones de carga sísmica y de viento para una aplicación dada.
Algunos de los factores (tal como el factor de importancia) involucrados tanto
en el cálculo de carga sísmica como de viento son subjetivos y necesitan
que se les sea dado un valor específico. Este valor debe estar basado en
discusiones abiertas entre el ingeniero y el propietario.
5. Los ingenieros deben ser específicos en las especificaciones sísmicas y de
carga de viento para asegurar que el equipo adecuado será suministrado para
satisfacer las necesidades de la aplicación y que éste se ajusta al Código de
Construcción Uniforme. Los requisitos sísmicos deben expresarse en “Gs” y el
requisito de carga de viento debe expresarse en libras por pie cuadrado o “psf”.
6. El uso de modificaciones externas, tales como pernos de montaje adicionales,
soportes, o el blindaje, pueden no cumplir con toda la intención de los
requisitos del UBC. Los pernos de montaje se ocupan solo del “momento de
vuelco” y no mantendrán intacta la unidad. Soportes externos solo pueden
ser utilizados en algunos casos y pueden requerir cálculos y certificación
independientes. Blindar la unidad de las cargas de viento no es aceptable de
acuerdo con el Código de Construcción Uniforme.
7. Actualmente existen equipos disponibles para cumplir con los estrictos
requisitos de zonas sísmicas severas y aplicaciones de carga de viento.
Condensadores evaporativos, refrigeradores de circuito cerrado y torres de
enfriamiento se han diseñado, analizado, puesto a prueba y certificado por
un ingeniero estructural con licencia, independientemente del fabricante del
equipo, para cumplir o exceder los Requisitos UBC sin modificaciones externas.
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Consideraciones de diseño para condensadores evaporativos en zonas sísmicas severas y con
aplicaciones de carga de viento
Referencias
1. International Conference of Building Officials (1994) Uniform Building Code
[Código de Construcción Uniforme], Volumen 2. Structural Design Provision.
Whittier, California, Sección 1630.
2. International Conference of Building Officials (1994) Uniform Building Code
[Código de Construcción Uniforme], Volumen 2. Structural Design Provision.
Whittier, California, Sección 1630.2.
3. International Conference of Building Officials (1994) Uniform Building Code
[Código de Construcción Uniforme], Volumen 2. Structural Design Provision.
Whittier, California, Sección 1613.
4. International Conference of Building Officials (1994) Uniform Building Code
[Código de Construcción Uniforme], Volumen 2. Structural Design Provision.
Whittier, California, Sección 163 1.1.
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Figura 1. Mapa
de
las
zonas
sísmicas
de
los
Estados
Unidos
Figura 1. Mapa de las zonas sísmicas de los Estados Unidos Reproducido
del Uniform
Building
Code™Code™ edición
de 1994
y cony el
permiso
del del publicador,
Reproducido del Uniform Building edición de 1994 con el permiso publicador, International Conference of Building Officials International
Conference of Building Officials
ZONA 1 2A 2B 3 4 Z 0.075 0.15 0.20 0.30 0.40 ZONA
1
2A
2B
3
4
Z
0.075
0.15
0.20
0.30
0.40
Figura 2. Factor de zona Z Reproducido del Z
Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador, Figura 2. Factor
de zona
International Conference of Building Officials. Reproducido del Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador,
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Consideraciones de diseño para condensadores evaporativos en zonas sísmicas severas y con
aplicaciones de carga de viento
Categoría de ocupación Ocupación o función de la estructura 1. Instalaciones 2 esenciales
Grupo I, División I. Instalaciones con áreas donde se realicen cirugías y se traten emergencias. Estaciones de policía y de bomberos Garajes y cobertizos de vehículos y aeronaves de emergencia. Estructuras y refugios en centros de preparación de emergencias Torres de control de aviación Estructuras y equipos en centros de comunicación del gobierno y otras instalaciones requeridas para la respuesta ante una emergencia. Equipos de generación de energía que alimenten instalaciones de categoría I. Tanques u otras estructuras que contengan, alberguen o soporten agua u otro material para apagar incendios, o equipo requerido para la protección de estructuras de categoría I, II o III. Grupo H, Divisiones 1, 2, 6 y 7. Instalaciones y estructuras en las cuales se albergue o se soporte sustancias químicas u otras sustancias que son tóxicas o explosivas. Estructuras que no constituyan una instalación pero que contengan alguna cantidad de sustancias tóxicas o explosivas que, estando a su vez dentro de alguna instalación, causarían que esta última se clasifique como ocupación grupo H, División 1, 2 ó 7. Ocupaciones del Grupo A, Divisiones 1, 2 y 2.1. Edificaciones que incluyan instalaciones del Grupo E, divisiones 1 y 3, con una capacidad mayor a 300 estudiantes. Edificaciones del Grupo B utilizadas para estudios universitarios o de personas adultas con una capacidad mayor a 500 estudiantes. Ocupaciones del Grupo I, División 3. Todas las estructuras con ocupación mayor a 5000 personas. Estructuras y equipos de estaciones de generación eléctrica;; y otras instalaciones de uso público no incluidas en las categorías I y II, cuya operación continua sea necesaria. Todas las estructuras con ocupaciones o usos que no se encuentren listados dentro de las categorías I, II o III y Torres de ocupación del grupo U. Ocupaciones del Grupo U, excepto las torres. 2. Instalaciones peligrosas 3. Estructuras de ocupación 3
especial 4. Estructuras de ocupación 4 estándar
Factor de importancia sísmica, 1 1.25 Factor de importancia sísmica , 1p 1.5 Factor de importancia de viento, 1w 1.15 1.25 1.50 1.15 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 5. Estructuras 1.00 1.00 1.00 Misceláneas La limitación de 1p para conexiones de panel en la sección 1631.2.4 debe ser 1.0 para el conector completo. 2
Requerimientos de observación estructural están dados en secciones 108, 1701 y 1702. 3
Para anclajes de maquinaria o equipos requeridos para sistemas que salvaguardan vidas, el valor de 1p debe tomarse como 1.5. 1
Figura
3. Categoría de la ocupación
Figura 3. Categoría de la ocupación Reproducido del Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador, Reproducido
delUniform Uniform
Building
Code™
edición
de 1994
y con
el permiso
del publicador,
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1
Elementos de estructuras, componentes no estructurales y equipos 1
1.Elementos de estructuras 1. Paredes incluyendo lo siguiente: a. Parapetos sin apoyo o en voladizo b. Otras paredes exteriores por encima del nivel del suelo c. Todos los muros de carga y no estructurales (no cargan) y paredes divisorias d. Cercas de mampostería o concreto de más de 8 pies de altura (1829 mm) 2. Ático o “penthouse” (excepto cuando estén enmarcados por una extensión del marco estructural) 3. Conexiones de elementos estructurales prefabricados diferentes a paredes, con fuerza aplicada en el centro de gravedad 4. Diafragmas 2. Componentes no estructurales 1. Ornamentaciones y apéndices exteriores e interiores 2. Chimeneas, pilas, torres atirantadas y tanques sobre patas: a. Soportado sobre o proyectado como un voladizo sin soporte sobre el techo por más de la mitad de su altura. b. Todos los demás, incluyendo aquellos soportados debajo del techo con proyecciones sin apoyo sobre el techo por menos de la mitad de su altura, sin apoyo o sujetadas al marco estructural en su centro de masa o por encima del mismo. 3. Señales y carteleras 4. Estantes de almacenamiento (incluyendo su contenido) 5. Anclaje para gabinetes permanentes y estantes de libros soportados en el suelo de más de 5 pies (1524mm) de altura (incluyendo su contenido) 6. Anclaje para techos y artefactos de iluminación 7. Sistema de suelo técnico o elevado 3. Equipos 1. Tanques y recipientes (incluido su contenido), incluyendo sistemas de soporte y anclaje 2. Equipo eléctrico, mecánico y de plomería y conductos asociados, ductos, tuberías y maquinaria. Valor de Cp 2.00 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 ̶ 2.00 2.00 0.75 2.00 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 Nota a pie de página 2.3 3 4 5 10 4, 6, 7, 11 4.9 8 Vea sección 1630.2 para ítems soportados sobre el suelo o debajo de él. Vea sección 1631.2.4 y sección 1630.2. Donde los diafragmas flexibles, como se definen en la sección 1628.6, proveen un soporte lateral a las paredes y particiones, el valor de Cp para los anclajes debe incrementarse un 50% para la mitad central de la longitud del diafragma. 4
Aplica para zonas sísmicas 2, 3 y 4 únicamente. 5
Vea sección 1631.2.9. 6
El peso del techo debe incluir todas las instalaciones de iluminación y otros equipos o particiones que son soportadas lateralmente por el techo. Para propósitos de determinar la fuerza sísmica, debe considerarse un peso del techo que sea por lo menos 4 libras por pie cuadrado (19.5 kg/m2). 7
Los techos construidos de listones y yeso o paneles de yeso, atornillados o fijados con clavos a miembros que soportan un techo en un nivel extendiéndose de pared a pared no necesitan ser analizados siempre que las paredes no estén separadas por más de 50 pies (15240 mm). 8
Los equipos incluyen, pero no se encuentran limitados a, calderas, enfriadores, intercambiadores de calor, bombas, unidades manejadoras de aire, torres de enfriamiento, paneles de control, motores, conmutadores, transformadores y equipos salvavidas. Incluye los conductos mayores, ductos y tuberías que alimenten a dicha maquinaria y a equipos de rociadores contra incendios. Vea la sección 1630.2 para los requerimientos para determinar el Cp para equipos no rígidos o montados flexiblemente. 9 El Wp para sistemas de suelo técnico o falso deberá ser la carga muerta del sistema de piso elevado más el 25% de la carga viva del mismo, más una tolerancia de 10 psf (0.479 kN/m2) para la carga de la partición. 10
En lugar de los valores tabulados, los estantes para almacenamiento de acero pueden ser diseñados en concordancia con el Capítulo 22, División VI. 11
Aplicaciones de iluminación y servicios mecánicos instalados en sistemas de suspensión metálicos para tejas acústicas y cielos rasos de paneles, deben ser soportados independientemente de la estructura descrita más arriba tal como se especifica en el estándar 25-­2, parte III del UBC. 2
3
Figura 4. Factor de fuerza horizontal C
Figura
4. Factor de fuerza horizontal Cp p Reproducido Building Code™ edición edición
de 1994 de
y con el permiso publicador, del
International Reproducido del delUniform Uniform
Building
Code™
1994
y con del el permiso
publicador,
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Figura 5. Velocidades
de viento básicas mínimas en millas por hora
Figura 5. Velocidades de viento básicas mínimas en millas por hora ReproducidoReproducido del Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador, del Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador,
International Conference of Building Officials. International
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Velocidad de viento básica
(mph) (x 1.61 para pasar a
km/h)
Presión q (psf) (x 0.0479 para
pasar a kN/m )
70
80
90
100
110
120
130
12.6
16.4
20.8
25.6
31.0
36.9
43.3
1
s
2
1Velocidad del viento de la sección 1615.
Figura 6. Presión de estancamiento del viento (qs) a una altura estándar de 33 pies
Reproducido del Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador,
International Conference of Building Officials
Altura por encima del
nivel promedio del suelo
adjunto (pies) X 304.8
para pasar a mm
0-15
20
25
30
40
60
80
100
120
160
200
300
400
Exposición D
Exposición C
1.39
1.45
1.50
1.54
1.62
1.73
1.81
1.88
1.93
2.02
2.10
2.23
2.34
1.06
1.13
1.19
1.23
1.31
1.43
1.53
1.61
1.67
1.79
1.87
2.05
2.19
1
1
Exposición B
1
0.62
0.67
0.72
0.76
0.84
0.95
1.04
1.13
1.20
1.31
1.42
1.63
1.80
1Valores para alturas intermedias sobre 15 pies (4572 mm) pueden interpolarse.
Figura 7. Coeficiente de factor combinado de altura, exposición y ráfaga (Ce) Reproducido del
Uniform Building Code™ edición de 1994 y con el permiso del publicador, International Conference
of Building Officials.
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Estructura o parte de la misma 1. Marcos y sistemas primarios Descripción Factor Cq Método 1 (método de fuerza normal) Paredes: Pared de barlovento 0.8 hacia adentro Pared de sotavento 0.5 hacia afuera 1
Techos : Viento perpendicular a la cresta Techo de sotavento o techo plano 0.7 hacia afuera Techo de barlovento Menos que 2:12 (16.7%) 0.7 hacia afuera Pendiente de 2:12 (16.7%) hasta menos de 9:12 (75%) 0.9 hacia afuera o 0.3 hacia adentro Pendiente de 9:12 (75%) a 12:12 (100%) 0.4 hacia adentro Pendiente > 12:12 (100%) 0.7 hacia adentro Viento paralelo a la cresta y a los techos planos 0.7 hacia afuera Método 2 (método de área proyectada) En área proyectada vertical Estructuras de 40 pies (12 192 mm) o de menos altura 1.3 en cualquier dirección horizontal Estructuras de más de 40 pies (12 192 mm) de altura 1.4 en cualquier dirección horizontal 1
El área proyectada horizontal 0.7 hacia arriba 2. Elementos y componentes Elementos de pared que no se encuentran en Todas las estructuras 1.2 hacia adentro 2
áreas de discontinuidad Estructuras cerradas y no cerradas 1.2 hacia afuera Estructuras parcialmente cerradas 1.6 hacia afuera Parapetos 1.3 hacia adentro o hacia afuera 3
Elementos de techo Estructuras cerradas y no cerradas Pendiente < 7:12 (58.3%) 1.3 hacia afuera Pendiente de 7:12 (58.3%) a 12:12 (100%) 1.3 hacia afuera o adentro Estructuras parcialmente cerradas Pendiente < 2:12 (16.7%) 1.7 hacia afuera Pendiente de 2:12 (16.7%) a 7:12 (58.3%) 1.6 hacia afuera o 0.8 hacia adentro Pendiente > 7:12 (58.3%) a 12:12 (100%) 1.7 hacia afuera o adentro 6
3. Elementos y componentes Esquinas de la pared 1.5 hacia afuera o 1.2 hacia adentro 2,4,5
6
en áreas discontinuas Aleros del techo, inclinaciones o crestas sin voladizos Pendiente < 2:12 (16.7%) 2.3 hacia arriba Pendiente 2:12 (16.7%) a 7:12 (58.3%) 2.6 hacia afuera Pendiente > 7:12 (58.3%) a 12:12 (100%) 1.6 hacia afuera Para pendientes menores que 2:12 (16.7%) Voladizos en los aleros, inclinaciones o crestas y toldos del techo 0.5 añadido a los valores anteriores 4. Chimeneas, tanques y Cuadrada o rectangular 1.4 cualquier dirección torres sólidas Hexagonal u octagonal 1.1 cualquier dirección Redonda o elíptica 0.8 cualquier dirección 7,8
5. Torres abiertas Cuadrada y rectangular Diagonal 4.0 Normal 3.6 Triangular 3.2 6. Accesorios de torres Miembros cilíndricos (tales como escaleras, De 2 pulgadas (51 mm) o menor diámetro 1.0 conductos, luces y Más de 2 pulgadas (51 mm) de diámetro 0.8 ascensores) Elementos planos o angulares 1.3 7. Letreros, mástiles, postes 8
de luz, estructuras menores 1.4 cualquier dirección 1
Para estructuras de un piso o para el piso superior de estructuras de varios pisos parcialmente cerradas, un valor adicional de 0.5 deberá ser agregado al Cq hacia afuera. La combinación más crítica deberá ser usada para diseñar. Para la definición de estructuras abiertas, vea la sección 1613. 2
2
Los valores de Cq enumerados son para áreas afluentes de 10 pies cuadrados (0.93 m ). Para áreas afluentes de 100 pies cuadrados (9.29 2
m ), el valor de 0.3 puede ser restado de Cq, excepto para áreas discontinuas con pendientes menores que 7 unidades verticales en 12 unidades horizontales (pendiente de 58.3%), donde el valor de 0.8 puede ser restado de Cq. Se puede interpolar para áreas afluentes entre 2
2
2
2
2
10 y 100 ft (0.93 m y 9.29 m ). Para áreas afluentes mayores a 1000 ft (92.9 m ), use los valores del marco primario. 3
Para pendientes mayores que 12 unidades verticales en 12 unidades horizontales (pendiente del 100%), use los valores de los elementos que clasifican como paredes. 4
Las presiones locales deberán ser aplicadas sobre una distancia desde la discontinuidad de 10 pies (3048 mm) o 0.1 veces el menor ancho de la estructura, el que sea más pequeño. 5
Las discontinuidades en las esquinas de la pared o en las crestas del techo se definen como descansos discontinuos en la superficie donde el ángulo interior incluido es de 170 grados o menos. 6
La carga debe aplicarse sobre cualquier lado discontinuo pero no simultáneamente en ambos lados. 7 Las presiones de viento deberán ser aplicadas al área total normal proyectada de todos los elementos en una cara. Se deberá suponer que las fuerzas actúen paralelas a la dirección del viento. 8 Los factores para elementos cilíndricos son las dos terceras partes de los elementos planos o angulares. Figura 8. Coeficientes de presión (Cq)
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International Conference of Building Officials.™ edición de 1994 y con el permiso del editorial,
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Notes:
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