Infraestructura para lograr ciudades más resilientes

Por Andrea Guevara y Ulises Figueroa*
Artículo de divulgación

El término resiliencia está de moda. Actualmente se aplica en diversos contextos, principalmente en aquel que lo define como la capacidad de los seres humanos de adaptarse a situaciones adversas y sobreponerse a ellas. De forma similar, una ciudad resiliente es aquella que es capaz de mantener su continuidad y funcionalidad durante y después de una catástrofe, respondiendo a todo tipo de obstáculos, sean esperados o no.

una ciudad resiliente es aquella que
es capaz de mantener su continuidad
y funcionalidad durante y después
de una catástrofe

Debido a que actualmente más de la mitad de la población mundial vive en zonas urbanas, es un gran reto y responsabilidad asegurar que dichas ciudades sean seguras. Uno de los diez aspectos esenciales para lograr ciudades más resilientes definido por la ONU, es la protección y mejoramiento de la infraestructura. Esto consiste, entre otras cosas, en evaluar la vulnerabilidad de la infraestructura existente a amenazas naturales y emprender medidas necesarias para prevenir posibles daños.

Uno de los sistemas imprescindibles para que una ciudad pueda funcionar durante las actividades de respuesta después de un desastre es el de distribución de agua, por lo cual, evitar su colapso durante un desastre es esencial. De igual importancia resulta evitar la falla en sistemas de transporte y distribución de combustibles, como el gas natural, que podría provocar una catástrofe mayor.

Con los años las tuberías de plástico, en especial de polietileno (PE), han ganado terreno y aprobación. Fuentes estiman que, en muchos países, más del 90% de las tuberías nuevas instaladas para sistemas de agua y gas de baja y media presión son de PE. Estas tuberías ofrecen varias ventajas como son: bajo costo, resistencia química, resistencia a la corrosión y a la fatiga, uniones soldadas libres de fugas, facilidad de instalación y mantenimiento, y una vida útil de más de 50 años.

Las grietas de propagación rápida
en tuberías de polietileno Se puedeN EXTENDER a 300 metros por segundo

Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas, fallas en campo se han reportado. La propagación rápida de la grieta, conocida como RCP (Rapid Crack Propagation), es caracterizada como la falla menos probable, raramente vista en servicio, pero que puede ocurrir en cualquier instante afectando una longitud de tubería significativa y con consecuencias mucho más catastróficas. RCP se caracteriza por una grieta que se extiende a velocidades de hasta 300 metros por segundo, esto es: ¡un kilómetro en 3 segundos! La rápida liberación de gas comprimido tendría un gran potencial de destrucción, lo que nos obliga a diseñar tuberías resistentes a RCP incluso en condiciones extremas.

Las certificaciones bajo estándares internacionales son necesarias para verificar que las tuberías cumplan con los requisitos de desempeño y seguridad. En palabras de la NSF International: “las pruebas RCP son imperativas para sistemas de gas y tenemos una capacidad limitada de prueba en América del Norte”, lo cual es también una realidad en México, haciendo de los laboratorios donde se realicen estas pruebas una necesidad primordial.

Además, a pesar de que existen estándares internacionales para evaluar la resistencia a RCP de tuberías plásticas presurizadas, en México no se cuenta con una normativa referente a RCP en tuberías de transporte de gas natural y agua potable. Conforme las compañías de gas continúen utilizando tuberías plásticas, en mayores diámetros y presiones, el riesgo de RCP aumentará, y será necesario invertir en infraestructura que reduzca el riesgo, pero también en aplicar y hacer cumplir normativas que eviten el colapso de las redes de suministro.

De igual forma, debido a la gran cantidad de variables que afectan la resistencia a RCP de un material, al desarrollo continuo de nuevos productos y procesos, y a la imposibilidad de anticipar un sismo o daño de terceros, se ha vuelto necesario contar con modelos confiables, capaces de predecir la resistencia a RCP de la tubería, y de esta forma agilizar los procesos de selección de material para diferentes aplicaciones. Cabe destacar que CONAGUA reporta que entre las principales causas que originan fallas en una tubería destaca la incorrecta elección de los materiales.

En respuesta a estas necesidades, en el Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México, se está desarrollando un laboratorio de ensayos fractomecánicos en plásticos ingenieriles, que contará con equipo de prueba bajo la normativa ISO 13447 para evaluar RCP en tuberías de hasta 250 mm de diámetro.

Además, un grupo de investigadores estamos desarrollando modelos que nos permitan predecir las condiciones críticas de operación de las tuberías para cualquier material, basados en propiedades intrínsecas como lo es la resistencia del material a la fractura dinámica. Entre mayor sea su resistencia a la fractura, menor será la posibilidad de que RCP suceda. Si analizamos la superficie de fractura de una tubería que falló por RCP, podemos apreciar dos regiones: una lisa, que corresponde a una fractura frágil bajo condiciones de deformación plana; y una rugosa, que corresponde a una fractura dúctil bajo condiciones de esfuerzo plano. Si somos capaces de evaluar la resistencia a la fractura dinámica del material en estas dos condiciones, entonces podremos predecir el desempeño de la tubería en servicio ante un evento que promueva RCP.

Si somos capaces de evaluar
la resistencia a la fractura dinámica, entonces podremos predecir el desempeño de la tubería ante un desastre

Estos modelos mejorarán nuestra comprensión de fenómeno RCP, disminuyendo los riesgos y la vulnerabilidad de las tuberías en grandes zonas urbanas como la Ciudad de México y la zona metropolitana.

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* Los autores

Andrea Guevara Morales estudió Ingeniería Mecatrónica en el Tec de Monterrey y tiene un doctorado por la Universidad de Londres. Es profesora investigadora de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tec de Monterrey, Campus Estado de México.  Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores de Conacyt. a.guevaram@itesm.mx,

Ulises Figueroa López estudió Ingeniero Metalurgista Industrial en la UAM y tiene un doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Tec de Monterrey. Es profesor investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tec de Monterrey, Campus Estado de México. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores de Conacyt. ufiguero@itesm.mx