Articulo - Ciudad Posible

Título: Ingenieros mexicanos crean solución inteligente para actuar en una emergencia sísmica en la Ciudad de México. Introducción: La combinación de tecnología aplicada e investigación, llevaron a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), a emprender un proyecto conjunto que al término de una década, ha permitido desarrollar tecnología de punta en detección de sismos, lo cual ha sido fundamental para extender las redes de distribución de gas natural en uno de los principales mercados en donde opera. Introducir redes de distribución de gas natural en la compleja ciudad de México, dadas sus condiciones de suelo, similares al comportamiento que pudiera tener “una gran gelatina”, ha sido todo un reto para el equipo técnico de la empresa, debido a los altos índices de sismicidad a los que debe enfrentarse garantizando la integridad de las redes. Los resultados que hoy se presentan tienen una década de estudios, liderados por Francisco Cabral, en conjunto con la Facultad de Geología y la Mesa Sísmica de la UNAM, con lo cual han logrado desarrollar un sistema de sensores que permiten actuar en una emergencia sísmica de manera “inteligente”, cortando y resguardando el suministro de gas natural en las redes que atraviesan el subsuelo de la Ciudad de México, en caso de presentarse un movimiento telúrico fuera de parámetros previamente establecidos y que pudieran poner en riesgo la integridad de la red, así como de los usuarios. Autor: Francisco Cabral S García Antecedentes sobre la formación y transformación del valle de México Para explicar el funcionamiento de este sistema llamado Sistema de Interrupción del Suministro de Gas ante Emergencia Sísmica (SISES), hay que hablar del subsuelo que sostiene a las edificaciones de la Ciudad de México. Cabe resaltar que nació de un lago y ha crecido en medio de una infinita batalla contra los obstáculos para aprovechar el agua y deshacerse de ella. Este proceso careció de una solución integral, pues las estrategias de solución siguieron razones históricas, políticas, sociales, religiosas, económicas pero pocas veces técnicas. En este sentido, lo que era un lago se ha convertido al paso del tiempo en una ciudad de suelos blandos, muy compresibles, poco aptos para sostener eficazmente las estructuras, que crecen vertiginosamente sorteando la fuerza de sismos de diferentes tipos e intensidades. Esta realidad ha dejado como saldo crónicas y relatos de grandes tragedias, así como las cuarteaduras y grietas de estructuras emblemáticas que aún se conservan en pie y otras quedan en el recuerdo pues han desaparecido. Una visión al pasado puede darnos referencia de cómo estaba conformado el valle de México, pues hace 500 años atrás recogía y almacenaba abundante lluvia de verano formando cinco grandes. A partir del siglo XVI comenzó el drenado de sus aguas y se erigieron estructuras ligeras y flexibles, diseñadas para no experimentar hundimientos importantes, pero con características que las hacen vulnerables ante sismos. Imagen 1. (Hundimiento de la Columna de la Independencia) A la par de iniciar la desecación de los lagos, vino la explotación de los acuíferos para cubrir la necesidad de agua potable, lo que ha provocado impresionantes hundimientos regionales y locales que causan daños en las sub y super estructuras, dificultando aún más la labor de quienes construyen en la ciudad. La relación entre los hundimientos y el problema sísmico de la ciudad, fueron reconocidos hasta 1941, después del sismo de Michoacán, el cual provocó importantes daños. Fue a partir de este momento que los hundimientos y el problema sísmico comienzan a ser tratados en conjunto, al aprobarse el reglamento de construcción de 1942, en el cual se incluye por primera vez una zonificación de la ciudad, en función de las características del subsuelo. Imagen 2. (Comparativa de la desecación de los Lagos) Pero no es sino hasta el terremoto de 1985, en el que murieron alrededor de diez mil personas y quedaron total o parcialmente dañados cerca de tres mil edificios, que tuvimos que aprender grandes lecciones. Desde entonces, la ingeniería permanece alerta ante cualquier terremoto y perfecciona el conocimiento sobre cualquier tipo de suelo ya que la experiencia nos ha mostrado que algunas génesis y composición geotécnica podrían resultar en enormes pérdidas a la infraestructura civil. Aunado a estas condiciones naturales, es necesario señalar que el valle de México es uno de los distritos más densamente poblados del mundo, con una alta concentración de funciones culturales, políticas y económicas, por lo que el suministro de energía segura y sustentable es un aspecto extremadamente importante de satisfacer. Dadas estas características, debemos abundar en el avanzado equipo de monitoreo que integra el Sistema de Interrupción del Suministro de Gas ante Emergencias Sísmicas (SISES), el cual será detalladamente presentado a continuación, tras una década de investigaciones de la mano de la facultad de Ingeniería de la UNAM. En esta década de investigación, fue necesario analizar el contexto internacional, así como estudiar las experiencias de terremotos sufridos en otros países con altos índices de sismicidad en Estados Unidos y Japón, lo cual nos permite reducir en alguna medida los posibles efectos destructores que puedan presentarse en algunos escenarios. Imagen 3. (Simulación de un sismo) La siguiente gráfica muestra las aceleraciones que pueden alcanzarse en esta zona de la Ciudad de México (Río de los Remedios esquina Centenario), durante un sismo de magnitud cercana a las 9° Richter, de altas dimensiones. Contexto internacional: Naturaleza del SISES Sobre accidentes relacionados con gas combustible, el sismo de 1994 en Northridge, Estados Unidos, con 750 fugas reportadas, mostró que tres cuartas partes de éstas se debieron a la peligrosa combinación de corrosión en tuberías con niveles muy altos de deformación en los suelos. En el sismo Chi Chi, de Taiwan acontecido en 2009, las cinco compañías de gas natural controladas por el gobierno, localizadas en la zona fuertemente golpeada, sufrieron las más grandes pérdidas económicas en la historia de la región principalmente por explosiones e incendios derivados. El sismo de Kobe, Japón en 1995, reportó por lo menos 1400 alteraciones en el sistema enterrado de suministro de gas. A pesar de que los edificios habitacionales tenían sistemas de cierre automático, el colapso de los edificios rompió las tuberías antes que éstos fueran activados. La población en las áreas altamente impactadas no contó con servicio de gas por más de dos meses y zonas sin daños mayores no dispusieron de la molécula por varias semanas. Después de Kobe las autoridades en Japón demandaron incrementos en la resistencia de las instalaciones y tuberías y la segmentación de la red de gas en bloques, de tal forma que la asistencia pudiera ser más ordenada y eficiente. Desafortunadamente durante el Gran Sismo del 2011 Heisei-­‐Tohoku, se reportaron por lo menos 385 incendios posteriores al terremoto y el tsunami. Aún con las modificaciones a los códigos fue extremadamente difícil actuar correcta e inmediatamente ante movimientos que sobrepasaron por mucho las más fatalistas predicciones de la ingeniería japonesa. El análisis de estos casos, es fundamental para entender la naturaleza del Sistema de Interrupción del Suministro de Gas ante Emergencia Sísmica (SISES), ya que se usa este conocimiento para desarrollar alarmas llamadas flexibles, las cuales estiman el daño en tiempo real y permiten definir su distribución en superficie, para que un ambiente de control inteligente decida en qué puntos debe cortar el suministro. SISES está compuesto por dos estructuras altamente especializadas: AMIE (Ambiente de Información Geosísmica), y MECA (Mecanismo de Cierre Automático). La predicción espacial de las situaciones extraordinarias o inseguras la contiene AMIE, mientras que MECA trata la instalación estratégica de válvulas, monitores, actuadores y transmisores controlados por microcomputadoras. ¿Y cómo funciona AMIE? Sobre las tuberías del anillo principal de alta presión (21 kg/cm2de presión), que alimenta de gas natural a la ciudad de México, se sostiene SISES. En un evento mayor donde las tuberías, instalaciones y transmisiones pudieran ser severamente dañadas, los controles de emergencia (válvulas de corte) instalados estratégicamente, cortarán el servicio de manera automática una vez que los parámetros previamente establecidos como seguros, sean rebasados. El punto vital de AMIE es la predicción de las deformaciones en el suelo circundante que pondrían en riesgo a la red de tuberías. En este punto se toma en cuenta: 1) La resistencia de los materiales durante un sismo. 2) Las características de las fuerzas actuantes 3) El intervalo de tiempo en el que se excede la resistencia de los materiales. RECUADRO: Confiable y natural El modelado matemático que integra AMIE, está basado en la experiencia y el conocimiento, los criterios de expertos y las necesidades particulares en cada sitio, tomando en cuenta el tipo de suelo y el tipo de usuario. Es decir que integra los históricos de movimientos en el valle de México y su relación con los daños, permitiendo solucionar la tarea de anticipación a los hechos de una manera más confiable y natural. Se puede decir que AMIE usa un conjunto de redes neuronales para predecir los máximos valores de aceleraciones (variable que se mide en sitio durante el sismo y que se usa para obtener las deformaciones), usando datos geotécnicos y sísmicos disponibles. Este sistema está inspirado en la manera en que aprenden los seres vivos, tomando como referencia que una red neuronal no requiere una forma funcional a priori. A través de un proceso reiterado de búsqueda, encuentra las relaciones numéricas o patrones de comportamiento. Una red que se considera exitosa es aquella que tiene capacidades de generalización, que la habilitan para pronosticar soluciones suficientemente correctas a situaciones que aún no ocurren. La información que reciben estas redes neuronales son: sísmicas y geográficas para cada situación geotécnica. El sismo se describe a través de la magnitud, la profundidad del foco (punto en la corteza dónde se genera el evento) y la distancia entre el punto en estudio y el epicentro. En cada situación geotécnica se considera el espesor de las capas de materiales muy blandos (arcillas del lago), causantes de las grandes amplificaciones en superficie (a mayor espesor, mayor el aumento), como una entrada de clasificación. A diferencia de los modelos a gran escala, las redes individuales se generan y son válidas sólo para la zona o distrito bloqueado por la válvula de cierre. Las propiedades de los materiales (por lo tanto su patrón de respuesta) y el tipo de usuario (doméstico o industrial) se toma en cuenta para la ubicación de los puntos de corte y para dirigir el alcance de cada red neuronal. Las redes alimentadas con información expandida de la Base Nacional de Sismos Fuertes, estiman la variación espacial de las aceleraciones en superficie, calculan la respuesta que se hubiera registrado durante el sismo de 1985 (el más fuerte registrado en el valle de México) y predicen los movimientos que se generarían durante un sismo de intensidad superior a la del sismo del año 1985. Esta distribución de respuestas permite definir los niveles “normales” (movimientos por debajo de los relacionados con el sismo más fuerte histórico), los “severos” (intensidades en el rango de las registradas durante el sismo de Michoacán) y los “extremos” (aceleraciones durante el sismo escenario de 9 grados). Aceleraciones “normales” son aquellas que pueden soportar la tubería y las instalaciones, mientras que las “severas” y “extremas” indican condiciones que pudieran llevar al cese inmediato del suministro. La flexibilidad del modelo se completa con definiciones distintas de acuerdo con el tipo de consumidor: si el compromiso de suministro es alto (industria) y las condiciones del suelo lo permiten, las cotas de cierre serán únicamente las “extremas”, mientras que cuando sean los usuarios domésticos los afectados y las condiciones de suelo sean adversas, el cierre puede activarse desde los niveles “severos” de tal forma que se pondere el bienestar de la población. Este esquema de control intenta mantener la mayor parte del servicio (dentro de la sección bloqueada) estable. Se ha reconocido que la actividad humana también podría provocar situaciones peligrosas (daños directos a las tuberías o deformaciones súbitas del suelo) por lo que AMIE introduce a las condiciones de flujo como una segunda premisa para cesar el suministro. Para reforzar las condiciones en las que una explosión o incendio podrían suceder y que no están directamente relacionadas con las fuerzas sísmicas, se plantea el monitoreo en los puntos de control de los parámetros: gasto, temperatura y presión del flujo de gas. De forma análoga a la enunciada para las aceleraciones se etiquetan los gastos, las temperaturas y las presiones reconocidas como “normales” mientras que aquellas lecturas ajenas a esta zona se consideran “anormales”. Las situaciones programadas acerca del flujo para cierre automático son aquellas dónde en lapsos muy cortos de tiempo, las condiciones de flujo cambian de manera drástica (excesivo gradiente) lo que indicaría la fuga por ruptura. Imagen 4. (Tipo de sismos) Mecanismo de Cierre Automático (MECA) Los instrumentos que permiten poner en operación lo obtenido y postulado en AMIE se llaman MECA. El mecanismo de cierre automático consta de medidores de aceleración ultra-­‐pequeños (micromaquinaria), monitores de condiciones de flujo (annubar), unidades de procesamiento/control, aparatos de transmisión de información y dispositivos de energía. Este arreglo es capaz de medir/almacenar la intensidad sísmica (registro de la serie de aceleraciones en las tres direcciones x,y,z) y condiciones de flujo (entradas de las premisas→conclusiones de AMIE), contiene el protocolo de envío de información y ordena la actuación automática de las válvulas. Los acelerógrafos ultra compactos instalados son de alto desempeño, estos sensores trabajan como unidades ultra-­‐compactas de detección de aceleración que permiten la medición, con alta precisión en tiempo real. Se instalan además dispositivos annubar (similar a los tubos Pitot) para monitorear el flujo de gas, tomando múltiples muestras a lo largo de la sección de las tuberías. Estos dos sensores y el arreglo que opera las válvulas neumáticas y el sistema de envío de información, son administrados desde controles externos. Durante o inmediatamente después de que un sismo ha ocurrido MECA envía las alertas adheridas a datos geográficos para una precisa ubicación de las zonas dañadas y la situación en la que se encuentran, con esto se coloca en mejor posición al equipo de auxilio en campo para dar una respuesta de emergencia rápida y precisa. El criterio de operación de SISES es simple: prevenir desastres secundarios como fugas de gas, incendios y explosiones, y asegurar la continuidad del suministro en zonas no afectadas, en una zona de alta sismicidad como lo es la Ciudad de México.