Cúpulas geodésicas de aluminio en zona sísmica y ambiente marino

En la evaluación de un requerimiento de cubierta para tanques de almacenamiento, la primera pregunta no es qué producto ofrecer sino qué condiciones deberá soportar la estructura durante toda su vida de servicio. La respuesta rara vez está en un catálogo: está en el emplazamiento.

En las instalaciones de la Región de Los Lagos en las que participamos, esas condiciones convergían de una forma poco habitual. El sitio se ubica sobre el margen de subducción entre las placas de Nazca y Sudamericana, en la misma región donde se registró el sismo de mayor magnitud jamás medido. Se emplaza a orillas de la bahía de Chincui, zona de precipitaciones frecuentes y persistentes. Alta sismicidad, atmósfera marina y régimen de lluvia sostenido, actuando de forma simultánea sobre la misma estructura.

En COTESO Chile SpA suministramos para este proyecto tres cúpulas geodésicas de aluminio. Nuestro alcance no se limitó al equipamiento: ejecutamos la revisión de ingeniería de los tanques antes de definir el diseño de cada cúpula y proporcionamos supervisión especializada durante el montaje en obra.

Este artículo expone los criterios técnicos que determinaron cada una de esas decisiones: por qué aluminio y no acero, por qué soportes deslizantes en lugar de soportes fijos, por qué sellado perimetral con ventilación centralizada y por qué dos marcos normativos distintos en un mismo proyecto. Lo hacemos porque entendemos que el valor de una solución de almacenamiento no reside en el equipo entregado, sino en la correspondencia entre ese equipo y las condiciones reales del sitio donde deberá desempeñarse durante décadas.

El emplazamiento del proyecto como punto de partida del diseño

Las instalaciones se ubican en terrenos privados de ESMAX Distribución y OXXEAN, en un área que se extiende desde el sector del muelle en la bahía de Chincui hasta el predio Chinquihue HJ-2, en la parte alta de la bahía, junto al camino público que conecta Cruce Paredes, la Ruta 5 Sur y Pargua.

Tres características de ese emplazamiento condicionan el diseño estructural de una cubierta de tanque, y ninguna de ellas admite ser tratada como un ajuste posterior.

Sismicidad. La Región de Los Lagos se sitúa sobre el margen de subducción entre las placas de Nazca y Sudamericana, la misma zona donde se registró en 1960 el terremoto de mayor magnitud jamás medido. Cualquier estructura montada sobre un tanque en este entorno debe concebirse considerando desplazamientos relativos significativos, no solo cargas estáticas.

Atmósfera marina. La proximidad al agua salada implica exposición permanente a cloruros en suspensión, el agente que más acelera la corrosión atmosférica del acero al carbono. En una cubierta metálica, esa exposición determina el ciclo de mantenimiento durante décadas.

Régimen de precipitación. El sur de Chile presenta lluvia frecuente y con componente de viento. Para una cúpula, esto se traduce en dos exigencias simultáneas: impedir el ingreso de agua por el perímetro y mantener una ventilación adecuada del espacio de vapor.

Alcance del suministro y especificaciones de las cúpulas

El alcance ejecutado comprendió tres cúpulas geodésicas de aluminio, distriuidas de la siguiente forma:

Equipo	Diámetro	Servicio y norma aplicable
Cúpula geodésica	24,4 m	Tanque de almacenamiento nuevo, diseñado conforme a API 650
Cúpula geodésica	34,1 m	Tanque de almacenamiento nuevo, diseñado conforme a API 650
Cúpula geodésica	24,4 m	Tanque de almacenamiento de agua, diseñado conforme a normativa AWWA

¿Por qué una cúpula de aluminio y no una cubierta de acero?

La elección del aluminio como material de cubierta suele presentarse como una ventaja genérica. En un emplazamiento como este, sin embargo, responde a razones específicas que conviene separar.

Comportamiento frente a la corrosión atmosférica

El aluminio desarrolla espontáneamente una capa de óxido pasiva que aísla al metal del medio agresivo y lo protege de la corrosión atmosférica sin requerir recubrimientos. En un entorno marino, esa propiedad elimina el ciclo de preparación de superficie y repintado que un techo de acero al carbono requiere de forma recurrente, junto con los andamiajes, los permisos de trabajo y las indisponibilidades asociadas a esa intervención.

La diferencia no radica en el costo inicial, sino en el costo del ciclo de vida del activo. Un techo de acero en atmósfera salina no falla por diseño: se degrada por mantenimiento diferido, y la cúpula de aluminio elimina esa variable de la ecuación.

Relación resistencia-peso y carga transmitida a la envolvente del tanque.

Una cúpula geodésica de aluminio es más liviana que una cubierta de acero de igual dimensión. Esta reducción de peso representa dos ventajas clave en zonas sísmicas: por un lado, reduce la masa en la cota superior del tanque, precisamente donde un valor elevado produce el mayor momento de vuelco durante un evento; por otro, disminuye la carga permanente que la envolvente debe transmitir a la fundación.

El Anexo G de API 650 establece que, en tanques nuevos, la estructura debe diseñarse para soportar la cúpula, y que el fabricante del techo debe suministrar la magnitud y dirección de todas las fuerzas que este transmite al tanque. Debido a esta interacción técnica, la revisión de ingeniería del tanque no puede realizarse de forma posterior al diseño de la cúpula: ambas definiciones son estrictamente interdependientes.

Estructura autosoportada sin columnas interiores

Conforme al Anexo G de API 650, una cúpula estructuralmente soportada de aluminio es una celosía espacial completamente triangulada, con las barras unidas en nodos dispuestos sobre la superficie de una esfera y paneles de cierre de aluminio firmemente fijados al marco. La estructura se apoya únicamente en el borde superior de la envolvente, en puntos de montaje equidistantes a lo largo del perímetro.

La ausencia de columnas interiores tiene implicaciones operativas que exceden lo estructural: elimina penetraciones a través del espacio interno, simplifica la inspección del interior del tanque y evita las interferencias que una columna introduce cuando el tanque incorpora techo flotante interno.

El diseño estructural conforme a este anexo debe cumplir el Aluminum Design Manual, incluyendo análisis no lineal de segundo orden. Este requisito no es una formalidad: en estructuras esbeltas de aluminio, el comportamiento no lineal determina la estabilidad real del conjunto, y un análisis de primer orden puede resultar no conservador.

En la siguiente imagen se puede apreciar la celosía espacial completamente triangulada con nodos dispuestos sobre una superficie esférica, y el venteo central en la cúspide.

Soportes (zapatas) deslizantes: Desacoplar la cúpula de la envolvente

Entre las características técnicas incorporadas, la que consideramos determinante para este emplazamiento es la disposición de apoyos con soportes deslizantes, concebidos para acomodar deformación y vibración permitiendo el movimiento estructural requerido sin comprometer el desempeño del conjunto.

La razón de esa decisión se explica en tres planos.

Dilatación diferencial entre aluminio y acero

El aluminio presenta un coeficiente de dilatación térmica lineal cercano a 23 × 10⁻⁶K⁻¹, aproximadamente el doble del acero al carbono, situado en torno a 12 × 10⁻⁶. En una cúpula de 34,1 metros de diámetro, esa diferencia produce desplazamientos perimetrales apreciables ante variaciones de temperatura ambiente que ocurren a diario.

Si los apoyos fueran fijos, esa incompatibilidad de deformaciones se traduciría en esfuerzos cíclicos horizontales concentrados en las conexiones, con el consiguiente riesgo de fatiga en el largo plazo. El soporte deslizante permite que ambos materiales se deformen según su propio comportamiento sin transferirse carga.

Comportamiento estructural de la envolvente y su vínculo con la cúpula

La pared de un tanque no es una superficie geométricamente invariable. Las variaciones de nivel de producto modifican la presión hidrostática sobre la envolvente (virola) inferior, y con ella el diámetro efectivo de la envolvente. A esto se suman las desviaciones de redondez y verticalidad propias de la construcción y del asentamiento de la fundación.

Este movimiento de la envolvente ocurre independientemente del tipo de soporte que vincule la cúpula a su borde superior; lo que cambia según el soporte es si ese movimiento se transmite o no a la estructura de cubierta. Con un soporte fijo, la cúpula queda rígidamente unida a la envolvente y se ve obligada a seguir ese movimiento, lo que induce esfuerzos adicionales en su estructura.

El soporte deslizante, en cambio, desacopla ambos elementos: permite que el borde superior de la envolvente se desplace libremente en el plano radial, sin arrastrar consigo a la cúpula ni transmitirle las cargas asociadas a ese movimiento. Por lo que se recomienda el soporte deslizante por sobre el fijo porque desacopla el movimiento inevitable de la envolvente.

Respuesta ante evento sísmico

Durante un sismo, un tanque de almacenamiento experimenta desplazamientos de la envolvente y movimiento del líquido contenido. El Anexo G de API 650 establece que, cuando el tanque se diseña para cargas sísmicas, el techo debe diseñarse para las aceleraciones horizontal y vertical definidas en el Anexo E de la misma norma.

En este contexto, el apoyo deslizante cumple una función adicional a la de acomodar dilatación: permite movimiento relativo entre envolvente y cúpula durante el evento, en lugar de transmitir la totalidad de la solicitación a un número reducido de puntos de conexión. Es una decisión de diseño que separa el comportamiento de dos elementos que, de otro modo, quedarían obligados a responder como un cuerpo único.

Sellado perimetral y ventilación centralizada

Cada cúpula incorpora un sistema de sellado sólido dispuesto en todo el perímetro de la estructura. Esta configuración impide el flujo de aire a través del perímetro y permite la ventilación mediante los venteos centrales previstos para tal fin.

La lógica es la siguiente. Un tanque con cubierta fija requiere ventilación del espacio de vapor, pero la vía por la que esa ventilación ocurre no es indiferente. Cuando el aire ingresa de forma difusa por la unión entre cúpula y la envolvente, el caudal deja de ser controlable y, en un emplazamiento con lluvia y viento como el de la bahía de Chincui, esa misma abertura se convierte en la ruta de ingreso de agua arrastrada.

Al sellar el perímetro y concentrar la ventilación en dispositivos centrales dimensionados para ese propósito, el flujo pasa a ser predecible y el agua de lluvia queda excluida del interior. Cuando el tanque incorpora un techo flotante interno, esta configuración adquiere relevancia adicional, porque el ingreso de agua compromete tanto la calidad del producto como la operación del propio techo flotante.

Plataforma superior y acceso a la instrumentación

Las tres cúpulas están equipadas con una plataforma en su parte superior, que proporciona al personal acceso seguro a los instrumentos de medición y monitoreo instalados sobre los tanques.

Esta decisión responde a una realidad operativa que a menudo se resuelve tarde. La instrumentación de nivel, temperatura y presión requiere verificación, calibración y mantenimiento periódicos durante toda la vida del tanque. Sin una plataforma prevista desde el diseño, esas actividades terminan ejecutándose con medios de acceso provisorios, lo que introduce riesgo de trabajo en altura y, con frecuencia, conduce a diferir intervenciones que deberían ser rutinarias.

Incorporar el acceso en la estructura desde el origen convierte una tarea de riesgo en una tarea programable. Es una consideración de ingeniería de mantenimiento aplicada en la fase de diseño, que es donde tiene mayor efecto y menor costo.

El tanque de agua: ¿Por qué una norma distinta?

La tercera cúpula, de 24,4 metros de diámetro, se suministró para un tanque de almacenamiento de agua diseñado conforme a normativa AWWA. La coexistencia de dos marcos normativos en un mismo proyecto no es una particularidad administrativa: responde a que se trata de servicios distintos, con criterios de diseño diferentes.

API 650 regula tanques de acero soldados para almacenamiento de hidrocarburos y otros productos a presión atmosférica o próxima a ella, y su Anexo G cubre las cúpulas de aluminio estructuralmente soportadas. En el ámbito del agua, la norma AWWA D100 cubre los tanques de acero al carbono soldados para almacenamiento de agua, y establece expresamente que, con la excepción de las cúpulas de aluminio, no aplica a tanques construidos con materiales distintos del acero al carbono.

Esa excepción se desarrolla en la norma AWWA D108, que establece los criterios mínimos de diseño, fabricación y montaje de cúpulas de aluminio estructuralmente soportadas para instalaciones de almacenamiento de agua, y que tuvo su origen en la sección correspondiente de AWWA D100. Cuando esta norma se especifica, sus requisitos prevalecen en caso de conflicto con otras normas aplicables.

En la práctica, esto significa que la cúpula del tanque de agua y las de los tanques de producto comparten principio estructural pero responden a marcos normativos separados, y que su verificación de diseño debe conducirse por vías igualmente separadas.

Ingeniería previa, fabricación y supervisión en obra

La revisión de ingeniería del tanque

Nuestro alcance no comenzó con la fabricación sino con la revisión de la ingeniería de los tanques, etapa que consideramos determinante para desarrollar un diseño preciso de cada cúpula y asegurar su integración con las estructuras proyectadas.

La razón es la que expusimos antes: el Anexo G de API 650 exige que el tanque se diseñe para soportar la cúpula y que el fabricante del techo entregue las fuerzas que la estructura transmite. Ese requisito solo puede cumplirse si ambas ingenierías se revisan de forma conjunta y no secuencial. Verificar la geometría de al envolvente, el detalle del borde superior y las condiciones de apoyo antes de definir la cúpula evita las correcciones en obra, que son las más costosas y las que más afectan el programa.

Diseño, fabricación, transporte y entrega

Posteriormente asumimos el diseño, la fabricación, el transporte y la entrega de las cúpulas en el sitio del proyecto. Esta participación integral permitió abordar de manera coordinada las distintas etapas del proceso de suministro, considerando los requisitos técnicos y normativos junto con las condiciones específicas de cada tanque.

La condición de estructura prefabricada y atornillada es, en un emplazamiento remoto, una ventaja logística de primer orden: la cúpula se transporta desarmada en volúmenes manejables y se ensambla en sitio sin requerir procesos de soldadura ni equipos de izaje de gran capacidad.

Supervisión especializada durante el montaje

Las estructuras fueron instaladas por el contratista PUMA, Puga & Mujica Asociados, con supervisión en sitio de un especialista de COTESO.

Este acompañamiento técnico permitió orientar al equipo de instalación sobre las características particulares de las estructuras y resolver oportunamente las situaciones surgidas durante el proceso de montaje. El trabajo coordinado entre ambas empresas hizo posible completar la instalación de manera eficiente y dentro del programa establecido para el proyecto.

Consideramos que esta etapa merece una observación. Una cúpula geodésica es una estructura de montaje secuencial en la que las tolerancias se acumulan: una desviación introducida en los primeros anillos se amplifica hacia el perímetro. La supervisión especializada no sustituye al contratista de montaje; asegura que el criterio de diseño se traslade correctamente al terreno, que es donde se define si la estructura se comportará como fue calculada.

Conclusiones

Un proyecto de almacenamiento en la bahía de Chincui no se resuelve seleccionando un equipo de catálogo. Sismicidad de subducción, atmósfera salina y precipitación sostenida forman un conjunto de solicitaciones que exige decisiones deliberadas en el material de la cubierta, en la forma de vincularla al tanque en si, en la gestión del perímetro y en la previsión de los accesos que el mantenimiento requerirá durante décadas.

En COTESO abordamos este tipo de requerimientos desde la revisión de ingeniería inicial hasta la asistencia especializada en terreno, porque la correspondencia entre diseño y condiciones de sitio no se verifica en el momento de la entrega, sino a lo largo de toda la vida de servicio del activo. Nuestra participación en esta iniciativa fortalece nuestra experiencia en soluciones para tanques de almacenamiento y en proyectos que exigen altos estándares técnicos, coordinación entre múltiples disciplinas y cumplimiento de normativa internacional.

Referencias

1. American Petroleum Institute. (2020). API Standard 650: Welded tanks for oil storage (13.ª ed.), Anexo E y Anexo G. API.
2. American Water Works Association. (2021). ANSI/AWWA D100: Welded carbon steel tanks for water storage. AWWA.
3. American Water Works Association. (2019). ANSI/AWWA D108-19: Aluminum dome roofs for water storage facilities. AWWA. https://store.awwa.org/AWWA-D108-19-Aluminum-Dome-Roofs-for-Water-Storage-Facilities
4. The Aluminum Association. (2020). Aluminum Design Manual. The Aluminum Association.

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