Importancia de las cimentaciones en los tanques de almacenamiento de agua contra incendio

La cimentación de una estructura es el elemento que permite transferir la carga generada por la misma al suelo donde se desplantará, cuidando que se distribuya de manera que no exceda la capacidad admisible de ésta, la cual al final de cuentas es la encargado de dar soporte a la estructura.

En el diseño de una cimentación, el ingeniero debe buscar la manera óptima de realizar esta transferencia de cargas al suelo, considerando tanto seguridad como economía. Un mal diseño puede llevar a fallas que provoquen el hundimiento de la estructura soportada, esto explica la importancia de realizar un análisis adecuado. Asimismo, una cimentación con un factor de seguridad de gran magnitud resultará en una estructura con un costo muy elevado, tanto que quizá ni siquiera se pueda realizar.

Existen dos tipos de cimentaciones en una primera clasificación: superficiales y profundas, el uso de las segundas se vuelve necesario cuando el suelo donde se va a soportar la estructura es un suelo muy blando o arcilloso y no cuenta con la capacidad de carga suficiente o puede presentar asentamientos considerables a lo largo de la vida útil de la estructura. Las cimentaciones superficiales son de uso más común y existe una variedad de ellas, puede ser a base de zapatas aisladas, zapatas corridas, losas de cimentación, etc.

En el caso específico de los tanques de almacenamiento de agua contra incendio, se recurre principalmente a cimentaciones formadas por un anillo de concreto o una losa de este mismo material que pudiera ser circular o cuadrada, incluyendo en algunas ocasiones pilotes cuando el suelo así lo requiera de acuerdo con lo comentado en el párrafo anterior.

Para un diseño adecuado de la cimentación de un tanque, es importante contar con un estudio de mecánica de suelos, esto permite conocer exactamente la cantidad de esfuerzos permisibles, así como el peligro sísmico en el sitio, y se puede obtener una mayor certeza en la estructura que se propone.

En la actualidad, se ha dado un auge de los proyectos relacionados con el sector energético, por lo que todas aquellas estructuras que se diseñen para este segmento de mercado, deberán por normativa realizarse obligatoriamente basadas en un estudio de mecánica de suelos de sitio, esto debido a que la clasificación de los códigos es en función de la importancia de cualquier estructura por construirse, incluidos los tanques de almacenamiento de agua, que se consideran en una categoría muy alta por las consecuencias que puede traer su falla principalmente durante un siniestro.

Los estudios de mecánica de suelos típicamente deben incluir una sección de peligro sísmico, en el que entre otros aspectos a través de las pruebas realizadas, se obtiene información de la aceleración que se puede presentar en el suelo generando con estos datos los espectros de respuesta en roca. Estos espectros, con algunos factores de modificación dan lugar a una relación entre período y aceleración que deben considerarse en el diseño sísmico.

Análisis de cargas accidentales

Uno de los principales aspectos en el diseño de la cimentación de un tanque de almacenamiento de agua es considerar los posibles efectos de las fuerzas de la naturaleza, particularmente aquellas fuerzas generadas por cargas de sismo y de viento, resulta necesario en cada caso analizar cuál de estas fuerzas es la que representa un mayor riesgo para la estructura, considerando distintos volúmenes de operación. Estas cargas laterales pueden provocar distintas fallas en la cimentación, así como en el anclaje que se utiliza para unir el tanque a esta.

En la actualidad, las principales normas o códigos de referencia en nuestro país son, para el caso de diseño por sismo: el Manual de Diseño de Obras Civiles de CFE en su capítulo de Diseño por Sismo que además cuenta con un sistema denominado Programa de Diseño Sísmico PRODISIS; el cual incluye la información referente a sismicidad para el territorio nacional y en función de las coordenadas de sitio. Este programa te permite generar los espectros de aceleración de forma regional. Nuevamente es importante mencionar que aun cuando este programa cuenta con información precisa, existen proyectos que por su importancia demandan un estudio específico de mecánica de suelos.

El capítulo de Diseño por Sismo mencionado en el párrafo anterior utiliza el método de masa impulsiva y convectiva con la interacción del tanque y el líquido contenido en él, permitiendo de esta manera calcular cuales son las fuerzas mecánicas que se presentarán en la parte superior de la cimentación, específicamente fuerza cortante y momento de volteo generados por sismo.

Para la determinación de las fuerzas de viento actuantes sobre los tanques, uno de los principales códigos de referencia también es el Manual de Diseño de Obras Civiles de CFE, en este caso con su apartado de Diseño por Viento. En este capítulo se consideran aspectos como la ubicación del tanque, factores de topografía, exposición a los efectos de ráfagas de viento, entre otros, obteniendo de la misma manera las fuerzas mecánicas resultantes descritas para sismo, fuerza cortante y momento volteo.

Adicionalmente se consideran para la determinación de las fuerzas actuantes de sismo y de viento, los criterios establecidos en normas de referencia internacionales, tales como AWWA D-103, así como API 650, las cuales también proporcionan lineamientos para el cálculo de las fuerzas mecánicas actuantes en la zona de interacción entre el tanque y la cimentación, buscando de esta manera los estándares más críticos y que se tenga con esto una mayor confiabilidad estructural.

Durante la revisión del anclaje de la cimentación, se debe tomar en cuenta la resistencia al cortante, esto es, la capacidad de las anclas para soportar la fuerza ejercida lateralmente por una fuerza de viento o de sismo. En este análisis es importante considerar de manera favorable la fricción que se genera por el contacto de la superficie del tanque con la cimentación.

El segundo factor a considerar en el diseño del anclaje es el momento de volteo en la base del tanque, nuevamente generado por la carga sísmica o la acción del viento, típicamente el mayor momento de volteo por sismo se genera cuando el tanque tiene el mayor volumen de agua almacenada, por la masa que esto representa, mientras que el mayor momento de volteo por viento se genera comúnmente con el tanque vacío, condición que no se debe presentar en el agua para protección contra incendio.

Para el diseño de las anclas, se deberá considerar la tensión y se utiliza como referencia para este tema el manual del American Institute of Steel Construction (AISC) donde se pueden consultar tablas de área neta y efectiva de las anclas, considerando el roscado y la reducción en área que esto le representa cuando se utiliza este tipo de anclaje.

En conclusión y como podemos apreciar en este artículo, es de suma importancia considerar en el diseño de la cimentación y el anclaje de los tanques todas las posibles cargas y esfuerzos que se puedan presentar para evitar una falla estructural. Es vital que en caso de presentarse un fenómeno natural de magnitudes considerables, ya sea en un sismo o con vientos fuertes, el tanque que alimenta al sistema de protección contra incendio se mantenga totalmente funcional y es por eso por lo que no se deben omitir los factores de cálculo indicados en las principales normas de referencia de la materia.