Apuntes de Diques

UNIVERSIDAD ALFONSO X EL SABIO INGENIERÍA DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. Ingeniería Marítima y Costera (4412)

TEMA 1.- INTRODUCCION 1.- GENERALIDADES 2.- DIQUES DE ABRIGO 2.1.-DIQUES VERTICALES 2.2.-DIQUES EN TALUD 2.3.-DIQUES MIXTOS 2.4.-DIQUES ESPECIALES 3.-ESTRUCTURAS DE PROTECCION DE COSTAS 3.1.-OBRAS QUE FACILITAN DISCONTINUIDAD EN LA LÍNEA DE COSTA 3.2.-OBRAS QUE MODIFICAN LA LÍNEA DE COSTA. 3.3.-OBRAS QUE FORMAN LA LÍNEA DE COSTA. 3.4.-REVESTIMIENTOS 3.5.-DIQUES DE APOYO DE PLAYAS

1


1.- GENERALIDADES El objeto primordial de un dique es disminuir el paso de energía desde el mar abierto a la zona abrigada de los puertos o bien ofrecer una protección contra la erosión costera. Desde el punto de vista del funcionamiento, un dique puede operar de dos formas diferentes: - REFLEXION (devolviendo la energía al mar) - DISIPACION (anulando la energía del oleaje) A veces lo que hace el dique es transformar la energía marina en energía cinética u otra forma de energía mediante el uso de cono difusores o similares. En general, este tipo de estructuras se dividen en dos grandes grupos: 1.- DIQUES DE ABRIGO 2.- ESTRUCTURAS DE PROTECCION DE COSTAS Vamos a pasar revisión a cada una de ellas.

2.- DIQUES DE ABRIGO Los diques de abrigo, están destinados a proporcionar la protección necesaria frente a la acción y efectos del oleaje, dando lugar a zonas abrigadas, en los puertos. Los diques de abrigo se dividen, fundamentalmente en dos grandes grupos: • •

-DIQUES VERTICALES: las olas son reflejadas en una pared vertical -DIQUES EN TALUD: las olas rompen sobre un talud.

La elección de un tipo u otro depende de circunstancias tales como profundidad de los fondos marinos, método de construcción, aspectos económicos etc.… De la combinación de estos grupos resultan: -DIQUES MIXTOS -DIQUES ESPECIALES 2


2.1.-DIQUES VERTICALES

Es aquel en que el oleaje incide sobre el paramento vertical del elemento rígido y se refleja en él. La energía, no se disipa, si no que es devuelta al mar siendo el modo de funcionamiento una reflexión. El elemento rígido, que hace el papel de cuerpo de dique, descansa sobre una base de materiales sueltos denominada” BANQUETA DE CIMENTACION”.

2.2.-DIQUES EN TALUD

En este caso, el oleaje incide sobre el talud de materiales sueltos, que es el elemento principal del dique. El descenso brusco de la profundidad con el que se encuentra el oleaje, provoca su rotura y con ella, la consiguiente disipación de energía. Este tipo de dique funciona pues por disipación. Además del cuerpo principal, llamado “CUERPO DEL DIQUE”, existe un elemento rígido, denominado ESPALDON, que es de dimensiones reducidas respecto al resto del dique y cumple una doble función: - Evitar el rebase del oleaje - Facilitar el acceso al dique

3


Realmente ninguna de las dos tipologías de hasta ahora vistas, funciona de una única forma, o sea no son absolutamente reflectantes o disipativa, ya que por ejemplo en el dique vertical existe una cierta disipación de energía, aunque su porcentaje es muy pequeño frente a la energía reflejada

2.3.-DIQUES MIXTOS Si modificáramos los tamaños relativos del elemento rígido y del conjunto de materiales sueltos, pasando gradualmente de la tipología en talud a la vertical, existiría una zona de transición en la que el modo de funcionamiento no correspondería ni a uno ni a otro tipo. En este caso el dique se denominaría dique mixto. Diríamos que un dique es mixto, y no en talud, cuando el descenso brusco de profundidad producido por el talud hace que se inestabilice el oleaje, no llegando sin embargo dicho oleaje a romper sobre el propio talud. Asimismo, un dique es vertical, y no mixto, cuando el descenso de profundidad causado por la presencia de la banqueta de cimentación no modifica sensiblemente al oleaje incidente. Este caso produciría que el oleaje llegase a romper sobre el propio talud de manera que la ola llega al paramento a punto de romper aunque alguna vez puede llegar rota. En estos diques, es de vital importancia entender que su funcionamiento en pleamar es el de reflexión, mientras que en bajamar lo hace como un dique en talud. En la figura siguiente se aprecia el esquema simple de un dique mixto.

4


En España la mayoría de los diques son en talud, sin embargo cuando la profundidad es superior a los 20 m. se suelen usar diques verticales. El gran problema de los diques mixtos, es que a menudo la ola rompe sobre el elemento monolítico con excesiva fuerza debido a las presiones impulsivas, lo que hace que funcione mal, produciéndose frecuentemente roturas y vuelcos. 2.4.-DIQUES ESPECIALES En general, estos diques suelen funcionar como diques verticales o en talud pero las características de su morfología merecen un tratamiento específico. Dentro de este tipo dediques podemos destacar: 2.4.1.- DIQUE FLOTANTE Es un dique vertical con poco peso, lo que le hace flotar. Es preciso anclarlo al fondo mediante cadenas denominadas, “líneas de fondeo”.

5


Fuente: Xornadas sobre a enerxiá que vén do mar, Universidade da Coruña y Grupo de enseñaría da agua e do Medio Ambiente.

6


2.4.2.- DIQUES PUENTE Se utilizan rara vez

2.4.3 DIQUES PANTALLAS O DIQUES DE TABLESTACAS Están sustentados por pilotes

Fuente: Guía de buenas prácticas para la ejecución de las Obras Marítimas

7


Fuente: shoreguard.com.mx/muros_de_contencion_maritim.. y www.wilsonwalton.es/protecci1.htm

2.4.5 DIQUE DE BAJA COTA DE CORONACIÓN Se diseña para que el oleaje le rebase con facilidad, pero de forma ligeramente rasante.

8


2.4.6 DIQUE BERMA Se diseña de forma que los materiales que forman el cuerpo del dique se puedan mover dentro de un determinado rango, llamado “berma”. La forma del dique es cambiante, pero el resultado final es un conjunto dinámicamente estable a largo plazo.

A veces, este tipo de diques se diseña con una “berma” fija, diseñada para que la rotura de ola se produzca sobre ella. Esto tipo de diques es estáticamente estable.

3.-ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN DE COSTAS Se tratan de estructuras estáticas situadas entre el mar y la tierra con el fin de proteger la línea de costa de las inundaciones y de la erosión, contribuyendo así a lo que se denomina Defensa o Gestión de costas. En la actualidad las técnicas llevadas a cabo se dividen en:

•

Técnicas estructurales o de ingeniería dura, como es el uso de hormigón fijo y de construcciones de rocas para "fijar" la línea de costa y proteger los activos localizados detrás (diques exentos y revestimientos).

9


•

Técnicas de ingeniería blanda, la construcción usando los procesos naturales y basándose en elementos naturales como arena, dunas y vegetación para prevenir que las fuerzas erosivas lleguen al interior de la costa. (la regeneración de playas y la estabilización de dunas de arena).

En este tema se trataran las técnicas estrucutarles, entre las que normalmente solo los espigones son ortogonales a la costa, y en general se encuentran a pequeñas profundidades y no suelen utilizar elementos de gran tamaño. Suelen estar ejecutadas en escollera y su objetivo es impedir el paso de sedimentos. Vamos a pasar revista a los más significativos en función de la disposición de la línea de costa tenemos:

3.1.-OBRAS QUE FACILITAN DISCONTINUIDAD EN LA LINEA DE COSTA •

ESPIGONES

Se utilizan para detener el transporte longitudinal de sedimentos o sea el paralelo a la costa. Sirven como apoyo a la regeneración de playas y adquieren diferentes formas, rectos, curvos, en L, en T, etc.

10


Clasificación de los espigones en función de su orientación.

Clasificación de los espigones en función de su forma.

Fuente: Centro Universitario de la Costa, Campus Vallarta, Departamento de Ciencias, Universidad de Guadalajara, Jalisco, México.

Playa de Benicassim (Castellón). Fuente: www.copasa.es/.../OBC/HID/PlayaBenicassim.aspx

11


3.2.-OBRAS QUE MODIFICAN LA LÍNEA DE COSTA. •

DIQUES EXENTOS

Son generalmente aquellos que se encuentran situados de forma paralela a la costa y que tiene como objetivo final la protección y estabilidad frente a la acción del oleaje incidente y de la energía que éste lleva asociada. El cambio brusco de profundidad produce un rompimiento del oleaje, lo que genera una disipación de dicha energía, disminuyendo eficazmente la erosión. Como el propio término “exento” indica, se ejerce con obras que en principio se desarrollan desligadas a la costa, aunque posteriormente puedan quedar unidas a la misma en función de la dinámica litoral presente. .

.

Isla de las Teresitas, Santa Cruz de Tenerife Fuente: jozeio.blogspot.com/feeds/posts/default

12


•

DIQUES SUMERGIDOS

Son diques en talud que no tienen espaldón. Permiten cierta transmisión. Suponen un obstáculo en la propagación del oleaje. Se disminuye el calado lo que hace que el oleaje rompa o se refleje parcialmente. Debido a su reducido impacto visual en el medio, se presenta como una alternativa en aquellos lugares donde se pretende enfrentar este tipo de efecto medio ambiental.

Fuente: www.freakarq.es/espigones-sumergidos

13


14


3.3.-OBRAS QUE FORMAN LA LÍNEA DE COSTA. •

MUROS

Se usan para impedir la erosión costera. Son rígidos y sirven además como contención del terreno. Tienen un grave problema de erosión en el pie del muro debido a la socavación por lo que esa zona requiere un tratamiento especial.

Fuente: Xornadas sobre a enerxiá que vén do mar, Universidade da Coruña y Grupo de enseñaría da agua e do Medio Ambiente.

3.4.-REVESTIMIENTOS Se utilizan para estabilizar costas escarpadas e inestables. Pueden ser de hormigón, escollera, revestimientos prefabricados o revestimientos de asfaltos especiales.

15


3.5.-DIQUES DE APOYO DE PLAYAS Son estructuras que evitan la pérdida de los sedimentos arrastrados a una playa. Se deben situar siempre al pié de la misma y sirve para realizar una estabilización de su perfil.

16


TEMA 2.- DIQUES VERTICALES

1.- DEFINICION 2.- ELEMENTOS 2.1.-CUERPO DEL DIQUE 2.2.-BANQUETA DE CIMENTACION 2.3.-BERMA DE PROTECCION 3.-MODOS DE FALLO 3.1.-ESTRUCTURALES 3.2.-FUNCIONALES 4.- ACCIONES DE OLEAJE 5.- COEFICIENTES DE SEGURIDAD 6.- PRESIONES SOBRE EL TERRENO

17


1.- DEFINICIÓN Según, Suárez Bores, un dique vertical, monolítico, rígido de pared impermeable, de comportamiento gravitatorio, se caracteriza por la reflexión prácticamente total de la energía del oleaje, sin intentar variar su comportamiento, ni laminarla por transmisión o disipación de energía. A veces, esta reflexión implica un aumento de las condiciones de agitación del canal, lo que le hace inviable. Los diques verticales empezaron a construirse con la aparición del hormigón como material estructural. Suele utilizarse esta tipología de dique cuando las profundidades son elevadas puesto que la construcción de un dique en talud precisaría un gran volumen de material. Por motivos tanto constructivos, económicos y medio ambientales la construcción de diques verticales está experimentando un apogeo significativo en la actualidad, presentándose como solución constructiva frente al tradicional dique en talud. Ventajas • Proceso constructivo optimizado actualmente. Rápido y poco impacto ambiental. • Menor ocupación de suelo marino • Menor cantidad de material (caso escasez de material de cantera). Importante en grandes prof. • Mantenimiento reducido • Uso de material dragado como relleno de celdas • Construcción previa. Traslado a flote. Reflotable. • Uso como muelle en lado abrigado • Pocos obstáculos bajo el agua -> bocanas Inconvenientes • Mayores reflexiones (canales de acceso) • Mayores tensiones al terreno (necesidad de dragados hasta terreno estable) • Necesidad de grandes dragados si terrenos poco competentes • Problemas si hay asientos (terrenos poco competentes) • Fallo generalmente instantáneo Dentro de los diques verticales existen las soluciones de gravedad, en las cuales la estabilidad frente a las acciones exteriores se consigue gracias al peso de la estructura (ej. diques de cajones, de bloques, de hormigón sumergido, etc.) y las soluciones hincadas, en las cuales la estabilidad se

18


consigue movilizando la resistencia del terreno en el cual se hinca la estructura (ej. diques de pantallas hincadas, de cajones indios, etc.). Lógicamente los primeros precisan de una mayor consistencia del terreno.

2.- ELEMENTOS Son tres: 1.- Cuerpo del dique 2.- Banqueta de cimentación 3.- Berma de protección ESPALDÓN

BLOQUE DE GUARDA

CUERPO

BERMA DE PROTECCION

BANQUETA DE CIMENTACION

Fuente: Guía de buenas prácticas para la ejecución de Obras Marítimas

19



A continuación se estudiará cada uno de ellos:

2.1.-CUERPO DEL DIQUE Es el elemento fundamental. Suele estar formado por cajones flotantes, pero también puede estar ejecutado de hormigón o mampostería. Los cajones flotantes son estructuras de hormigón armado de planta habitualmente rectangular, aligeradas mediante celdas verticales de diferentes formas geométricas, aunque en general son circulares o cuadrangulares.

Croquis de un cajón flotante con celdas circulares. Fuente: www.cedex.es

20


Estos cajones suelen tener una altura máxima de 25 m. debido a criterios constructivos y de flotabilidad. (Medidas variables). Sobresale del agua una cierta altura pero no mucha. Los cajones flotantes están formados por celdas. Su eslora es de unos 40 m. pero hay casos en los que llega a 60 m. Su manga (anchura del cajón) oscila entre los 20 y 30 m. y su puntal (altura del cajón) se mueve en intervalos de 20 a 25 m. Sus principales características dimensionales las siguientes: •

Cajones de celdas rectangulares:

- Espesor de la solera: 0,40 –1,20 m. - Vuelo de las zapatas: menor de 1,50 m. - Espesor de las zapatas: generalmente se mantiene el mismo espesor que en la solera. - Separación entre tabiques: 3,50 – 4,50 m. - Espesor de las paredes exteriores: 0,40 – 0,60 m. - Espesor de los tabiques: 0,20 – 0,30 m. •

Cajones de celdas circulares:

- Espesor de la solera: 0,40 – 1,00 m. - Vuelo de las zapatas: menor de 1,50 m. - Espesor de las zapatas: generalmente se mantiene el mismo espesor que en la solera. - Diámetro de las celdas: 2,50 – 3,80 m. - Espesor mínimo de hormigón entre celdas: 0,15 m. - Espesor mínimo del hormigón en las paredes exteriores excepto en el lado mar: 0,20 m. - Espesor mínimo de hormigón en la pared exterior lado mar: 0,40 m. Estos cajones aligerados flotan en el mar, y así son remolcados hasta su ubicación definitiva, donde son hundidos mediante el relleno de las celdas de agua y las juntas entre dos de ellos de material granular

21


Esta técnica utilizada para la construcción de diques verticales está fuertemente implantada en España. Las primeras obras de cajones que se construyeron en España fueron el muelle de Levante del puerto de Huelva, en la ría del Odiel, que entró en servicio en 1932 con 8 metros de calado máximo; y el dique-muelle del Sagrado Corazón en Tarifa, que entró en servicio en 1945 con 10 m de calado máximo. En las décadas posteriores se extendió la técnica de fabricación de cajones a numerosas obras de atraque en los puertos de Pasajes, Avilés, Gijón, Cádiz, Cartagena…

2.2.-BANQUETA DE CIMENTACION Como ya hemos visto en el tema anterior, tiene una triple función: - Transmitir las tensiones al terreno - Disminuir la profundidad de la cimentación - Proporcionar una superficie regular de apoyo, que evite sobretensiones puntuales. Se puede ejecutar de dos formas: - En escollera - Todo – uno Normalmente se ejecuta de escollera si es pequeña para que aumente su resistencia, pero si su tamaño aumenta se realiza de la segunda manera ya que es más económica. Como el cajón flotante necesita una superficie lisa como apoyo, para evitar que se concentren las tensiones en algún punto de la banqueta, se prevé un enrase de grava de poco espesor.

2.3.-BERMA DE PROTECCION

Dado que el oleaje puede erosionar con facilidad la banqueta de cimentación es preciso disponer de esta capa de protección, que suele ser de escollera de mayor tamaño que la de la banqueta. Sin embargo existe siempre un punto crítico donde la erosión es máxima (socavación). Para evitarla se sitúa un bloque cúbico, denominado “Bloque de guarda”, tal y como se ve en la figura siguiente

22


BLOQUE DE GUARDA


3.-MODOS DE FALLO Son las diferentes maneras que una estructura de este tipo puede colapsar, pueden ser de dos tipos: - Estructurales - Funcionales

3.1.-ESTRUCTURALES Se deben al incorrecto funcionamiento de alguna de las partes del dique, bien por defecto de ejecución o por error de cálculo de las solicitaciones utilizadas en su diseño. Son los siguientes: 1.- Deslizamiento, vuelco o hundimiento del cajón producido por el oleaje o por fallo en la cimentación.

2.- Socavación del pié y socavación del fondo. 3.- Inestabilidad hidráulica de la berma debido a la excesiva cota de la misma. Esto hace que el oleaje rompa sobre ella y entonces el dique funciona como dique mixto, y no ha sido diseñado para ello. 4.- Por asientos del terreno. Produciéndose una deformación excesiva de la banqueta de apoyo. 5.- Fallo por hinchamiento del cuerpo principal sobre la cimentación de apoyo.

23


6.- Exceso de presión sobre el apoyo

Modos de fallo de los diques de abrigo según la ROM 0.5-05 (Figura importada de la ROM 0.5-05).

3.2.-FUNCIONALES a) Fallo por rebase del espaldón b) Fallo por reflexión por agitación interior en el antepuerto, canal de enfilación y dársenas interiores.

24


4.- ACCIONES DEL OLEAJE Es obvio que el oleaje puede existir a ambos lados del dique, sin embargo en la realidad, en la parte posterior es muy bajo de intensidad y por ello se puede considerar como inexistente. Las acciones que produce el mar, se pueden dividir en dos tipos: a) Hidrostáticas (agua en reposo) b) Hidrodinámicas (efecto del oleaje)

4.1.- HIDROSTATICAS En lo que se refiere a las acciones horizontales, solo se deben tener en cuenta en el cálculo estructural del cajón, ya que como puede apreciarse son simétricas y por lo tanto están en equilibrio estático. No se deben tener en cuenta en los cálculos de estabilidad del dique.

Zona abrigada

La acción vertical es debida a la supresión (empuje de Arquímedes) y su valor es: E = ( ρgh ) B

siendo h , la profundidad a pié de cuerpo de dique y B el ancho del mismo.

25


4.2.- HIDRODINAMICAS Para el cálculo de los empujes hidrodinámicos, vamos a utilizar dos métodos: • Teoría lineal de oleaje • Método de Goda

4.2.1.-TEORIA LINEAL DEL OLEAJE . En base a la teoría lineal de ondas, la presión hidrodinámica a lo largo de una columna de agua cualquiera es función de la sobreelevación, según expresa la ecuación siguiente. En el presente apartado se denota a dicha presión con un subíndice 1, para diferenciarla de la componente de 2º orden de la que se hablará más adelante.

Esta expresión es producto de dos factores. El primer factor, ρgη, depende únicamente de la sobreelevación, es decir, de la altura de ola, y expresa la presión hidrodinámica en el nivel de agua en reposo (para z = 0). El segundo factor es un número menor que la unidad, que expresa la reducción de presión a medida que nos alejamos de la superficie. En particular, y si el cuerpo del dique está apoyado directamente sobre el terreno ( no hay banqueta), en el fondo este factor toma el valor 1/cosh(kh), que es función del periodo del oleaje, y tiende a la unidad en aguas someras y a cero en aguas profundas, según se muestra en el gráfico siguiente.

La ley de presiones anterior es válida en el marco de la teoría lineal, es decir, bajo la hipótesis de que el contorno correspondiente a la superficie libre está situado en el nivel de agua en reposo puesto que la amplitud de las ondas es pequeña. Sin embargo, la amplitud de la onda no es despreciable a efectos de cálculo de fuerzas. El cálculo no lineal con segundo orden de aproximación indica que existe una componente hidrodinámica adicional, con valor |ρgη| en el nivel de agua en reposo y que decrece linealmente hasta cero en la superficie libre, es decir 26


Esta presión es siempre positiva independientemente del signo de la sobreelevación, según indica el valor absoluto. Debido a ello la fuerza de presión hidrodinámica durante el paso de la cresta de la ola es de mayor magnitud que la que se desarrolla durante el paso del seno. En el gráfico siguiente pueden apreciarse los diferentes empujes en los caso de cresta sin y con rebase y seno.

Con esto las acciones dinámicas resultantes son las siguientes: Considerando incidencia normal del oleaje sobre el dique, la fuerza horizontal y momento de vuelco resultante por metro lineal se obtiene por integración a lo largo de la columna de agua de las componentes de primer y segundo orden, denotadas con subíndices 1 y 2: Fuerzas:

Momentos:

Si el cajón está situado sobre fondo plano, la componente de primer orden es

27


Mientras que si está situado sobre una banqueta, el límite inferior de integración pasa a ser la profundidad en la cimentación del cajón h’. El integrando para el cálculo de Fx1 no cambia pues se supone que en un dique vertical las características del oleaje no varían por efecto de la banqueta, y por lo tanto tampoco lo hace la ley de presiones hidrodinámica. Por otra parte, el brazo para el cálculo del momento se mide en este caso respecto de la base del cajón y no desde el fondo.

Los valores de los esfuerzos fuerza horizontal y momento horizontales, tanto para dique en fondo plano como para dique sobre banqueta son iguales, y de signo contrario, para el paso de la cresta de la ola y para el paso del seno. En cuanto a la componente de segundo orden, mientras no haya rebase se obtiene la siguiente expresión, aplicable tanto para el paso de la cresta como para el paso del seno

28


Mientras que cuando hay rebase durante el paso de la cresta, llamando hc al francobordo en el lado mar, se tiene

4.2.2.-METODO DE GODA

Este método utiliza la teoría no lineal hasta el 4º orden y posteriormente la corrige por medio de ensayos. Tiene en cuenta la banqueta, y el rebase, y sobre todo valora el hecho de que la ola rompa o no. Así mismo tiene en cuente el ángulo de incidencia del oleaje β, denominado “oblicuidad del ataque” β

Este valor del ángulo de ataque se tiene que disminuir en 15º para quedarnos del lado de la seguridad. Para la longitud de onda, tomaremos el periodo significante H1/3 Para el cálculo de la profundidad del dique, tenemos que plantearnos dos casos:

29


A) Si el oleaje rompe por fondo debemos poner que la altura máxima es la que tenemos en el punto (1), hc B) Si no rompe, la altura máxima se toma al pié del dique (2), h.

30


5.- COEFICIENTES DE SEGURIDAD Como se ha comentado anteriormente, a efectos de estabilidad, podemos despreciar las presiones horizontales hidrostáticas debido a la simetría. Sin embargo SI hay que tener en cuenta las subpresiones hidrostáticas (Empuje de Arquímedes).

31


En algunos textos se denomina peso resistente (W res), al peso del cajón menos la subpresión hidrostática. Teniendo en cuenta que las fuerzas se aplican en el centro de gravedad de cada distribución de fuerzas, o sea de cada área, aparecen unos momentos que se pueden calcular tomando como origen el punto de vuelco,

El momento resistente se obtendrá restando los momentos del empuje E y del peso W.

32


Distribución de fuerzas sobre un dique vertical en régimen casi-estático. Fuente: Vicens Gràcia, apunts.

Vamos a considerar ahora las fuerzas hidrodinámicas:

Si llamamos Fx a todas las fuerzas horizontales y Fy a todas las verticales, deberemos calcular ambas fuerzas y sus momentos, así como las acciones del terreno Fr y N, y su momento en el punto de vuelco.

33


5.1.- COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO Es la relación entre la fuerza horizontal que provoca el deslizamiento y la fuerza horizontal existente.

CSD = µ Fy/Fx

En general y a falta de datos fiables, se debe considerar un coeficiente de rozamiento 0,7, según lo especificado en la ROM 0.5/94. ya que normalmente el coeficiente de rozamiento entre cajón y escollera oscila entre 0,6 – 0,7.

5.2.- COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL VUELCO RIGIDO O TRADICIONAL Considera que el terreno es infinitamente rígido, y en el momento del vuelco la reacción N se aplica en el punto de vuelco.

CSV = My/Mx

Siendo My los momentos de las fuerzas verticales y Mx los momentos de las fuerzas horizontales. Es muy importante no confundir este coeficiente de seguridad con el vuelco mecánico en general, ya que en este último caso los momentos tienen un signo sin diferenciarse si las fuerzas son horizontales 0 verticales.

5.3.- COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL HUNDIMIENTO Se parte de las solicitaciones exteriores sobre el cajón, es decir, la totalidad de las cargas a excepción de las tensiones efectivas del terreno (normales y tangenciales ó rozamiento). Se conocen por tanto las fuerzas horizontal y vertical y sus momentos de vuelco respecto a la arista de vuelco. La inclinación δ de la resultante respecto a la vertical es tan(δ) = Fx / Fy

34


Para que el sistema esté en equilibrio, la resultante N, tiene que estar aplicada en la recta de acción de la resultante de Fx y Fy. Estas dos fuerzas están situadas a distancias dx y dy de la arista de vuelco. Estas distancias vienen dadas por la expresión: dx = My/Fy dy = Mx/Fx

De la figura podemos escribir: dE = dx - ( tgδ ) dy Si suponemos que existe una zona en la que actúa una tensión constante a lo largo de todo el ancho efectivo de la cimentación, tensión que llamaremos tensión media, podemos dibujar:

35


Entonces el coeficiente de seguridad al hundimiento se definirá de la siguiente manera: A efectos de este cálculo se considera una ley ficticia simplificada de tensiones efectivas transmitidas a la cimentación, la cual es uniforme. El ancho de la cimentación equivalente B* se define como la anchura en la cual actúa dicha ley. Lógicamente, la resultante E está situada en su punto central, por lo que B* = 2 (dx – dy tan(δ)) De este modo, las tensiones efectivas medias transmitidas a la banqueta son Pv = Fy / B* Por otra parte, la tensión de hundimiento del terreno equivalente Pv,h se puede calcular empleando la formulación polinómica de Brinch-Hansen (ROM 0.5/94, apartado 3.5.4.3.1). En el cálculo de Sq y Sγ se ha de considerar, del lado de la seguridad, que únicamente un cajón sufre hundimiento, por lo que L* es la eslora del cajón. Es decir, se considera que la superestructura no tiene rigidez suficiente para obligar al hundimiento simultáneo, en su caso, de todos los cajones de la alineación. Finalmente, el coeficiente de seguridad frente al hundimiento CSH se define como:

CSH = Pv,h / Pv

36


5.4.- COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL VUELCO PLASTICO Se tiene que B*, y Pv (presión media en B*) son función de la inclinación de la resultante δ. En función de dicha inclinación, el ancho de la cimentación equivalente B* es: B* = 2 (dx – dy tan(δ)) Con lo que las tensiones medias transmitidas al terreno equivalente son: Pv = Fy / B* Por otra parte, la tensión de hundimiento del terreno equivalente se calcula empleando la formulación polinómica de Brinch-Hansen (apartado 3.5.4.3.1 de la ROM 0.5/94) con una anchura de la cimentación B*. Los coeficientes Sq, Sc, Sγ, iq, ic e iγ dependen de δ. De este modo la carga de hundimiento Pv,h es también función de δ, puesto que es función de B*. Para las cargas existentes, la inclinación δ0 de la resultante respecto a la vertical es: δ0 = arc tan (Fx / Fy) Variando δ y conservando Fy (es decir, incrementando Fx) se identifica mediante un proceso iterativo el valor de δ para el cual se produce el hundimiento. Una vez definido el valor de δ (es decir, de Fx) que produciría el vuelco, el coeficiente de seguridad al vuelco plástico es: CSV = tan(δ)/tan(δ0) Lo anterior es consecuencia de que si no suponemos que el terreno es rígido, ocurre que al comenzar el vuelco el valor de B* se va haciendo cada vez mas pequeña por lo que la N se reparte en una superficie menor hasta que llega un punto en el que se hunde antes de que se produzca el vuelco. Con este coeficiente se expresa lo lejos que se está del hundimiento, por lo que el CSVP compara la fuerza horizontal que produce el hundimiento con la fuerza horizontal que existe realmente.

CSV = F x,HUNDIMIENTO / Fx

37


El vuelco plástico se produce en el momento en que: Pv = Pv,HUNDIMIENTO

5.5.- LEY DE PRESIONES EFECTIVAS

Queremos calcular la ley de tensiones cuya resultante es N, con la hipótesis de que es una ley lineal. Se pueden plantear dos casos:

A) LEY TRIANGULAR

38


Este caso se produce cuando la resultante N, cae fuera del tercio central 3 dE. El valor de la Pmax, viene dado por la expresión:

N = ½ Pmax 3 dE

B) LEY TRAPEZOIDAL

La resultante cae dentro del tercio central, por lo tanto hay una presión máxima y una mínima. Estas dos incógnitas se resuelven con dos ecuaciones, una se obtiene de sumar fuerzas y otra de aplicar momentos en el punto de vuelco.

39


TEMA 3.- DIQUES ROMPEOLAS O EN TALUD. 1.- DEFINICION 2.- ELEMENTOS 3.- DIMENSIONAMIENTO DEL MANTO DE PROTECCION 3.1.- ELEMENTOS QUE RESISTEN POR GRAVEDAD 3.2.- ELEMENTOS QUE RESISTEN POR TRABAZÓN 3.3.- METODOS DE CÁLCULO 3.3.1.- MODELO IRIBARREN 3.3.2.- MODELO DE HUDSON 3.3.3.- MODELO VAN DER MEER 4.-DIMENSIONAMIENTO DE LA BERMA DE PIE 5.-DIMENSIONAMIENTO DEL ESPALDON 6.-DIMENSIONAMIENTO DEL MORRO 7.-NIVELES DE CÁLCULO PARA BERMA Y MANTO 8.-AVERIAS EN EL MANTO DE PROTECCION 9.-MODOS DE FALLO 10.- PREDISEÑO DE LA SECCION

40


1.- DEFINICION Los diques en talud son los llamados rompeolas (RUBBLE MOUND o BREAKWATERS) que provocan la rotura del oleaje mediante la desestabilización del movimiento ondulatorio. Están constituidos por materiales sueltos protegidos por bloques naturales o artificiales de distintas formas colocados sobre el talud. Aunque los elementos que forman las diferentes partes de este tipo de diques, es mejor usar siempre que sea posible escollera natural. Sin embargo esto no es siempre posible ya que a veces no existen canteras próximas y el coste alcanza niveles excesivos. Si el peso de los elementos necesarios es elevado (> 8 Tn aproximadamente) se recurre a elementos artificiales en el lado del dique expuesto al oleaje. Esto es debido al excesivo coste de la escollera de gran tamaño. Estas piezas pueden disponerse sobre el talud, de forma aleatoria o dispuesta de forma regular. Los primeros son más sencillos de construir y anulan mejor la energía del oleaje, sin embargo los segundos se emplean sobre todo en revestimientos y raramente en diques en talud. La naturaleza de este dique es deformable y flexible, las averías progresan gradualmente y necesitan mantenimiento regular. Entre sus desventajas destacan: • • • •

Taludes muy tendidos. Ocupa mucho espacio. Plantean problemas medioambientales. No son adecuados a profundidades mayores de 20m.

2.- ELEMENTOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

NUCLEO MANTO PRINCIPAL FILTROS BERMA DE PIE BERMA DE CORONACION ESPALDON MANTO SECUNDARIO

41


BERMA DE CORONACIÓN ESPALDÓN

MANTO PRINCIPAL BERMA DE PIE NÚCLEO MANTO SECUNDARIO

FILTROS


42



2.1.-NUCLEO Parte interna del dique. Está formado por material todo uno de cantera, elemento abundante en la explotación de una cantera y por lo tanto barato, con peso superior a 1 kg. Se puede considerar impermeable frente al paso de la energía del oleaje, aunque debe ser lo suficientemente permeable para que permita el paso del agua a través de él.

2.2.-MANTO PRINCIPAL Parte del dique que realmente soporta el oleaje. Está formado por bloques en varias capas de gran tamaño, naturales o artificiales, concertados o dispuestos aleatoriamente sobre el talud. Normalmente se ejecuta de escollera, pero cuando esta es mayor de 8 Tn, es difícil de obtener y por lo tanto es preciso optar por elementos artificiales. Estos elementos artificiales tienen multitud de formas destacando los siguientes:

43


El de forma cúbica es el mas empleado en España y el CORE –LOC está sustituyendo al acrópodo. En la actualidad se siguen diseñando bloques como el X-BLOC o el CUBÍPODO. Estos cuerpos pueden disponerse en una o dos capas, según las características y necesidades del dique.

2.3.- FILTROS Se sitúan entre el manto principal y el núcleo y tiene como función principal impedir el lavado o pérdidas de elementos entre los huecos del núcleo o de los sucesivos mantos. Puedes estar formado por una o varias capas según el material que forme el núcleo. Su peso suele ser entre 1/10 y 1/20 del peso del material de los elementos de la capa inmediatamente superior.

44



2.4.- BERMA DE PIE Tiene como objetivo dar apoyo estable a los elementos del manto. También esta ejecutada de escollera de tamaño suficiente para que no sea movida por el oleaje. Se utiliza así mismo, para detectar la posible erosión con avería progresiva en la cimentación del macizo. Si la profundidad es escasa, no se coloca berma, para evitar colocarla cerca de la superficie donde las acciones del oleaje son mayores. En este caso se puede prolongar el manto del dique en una pequeña zanja construida a tal efecto. En caso de que el fondo sea socavable (arenoso), se puede extender una capa de filtro por delante de la berma de pié para evitar así la socavación.

CON BERMA DE PIE

45


También se puede prolongar el manto y enterrarlo en una zanja, en una profundidad mayor que la mayor profundidad de socavación. En este caso se prescinde de la berma.

SIN BERMA DE PIE

Esto es habitual en revestimientos de protección costera, pero no tanto en los diques en talud.

2.5.- BERMA DE CORONACION Parte superior horizontal del Manto Principal por lo que está compuesta por los mismos materiales que éste. Cuanto mas larga es la berma de coronación, mas espacio hay para la disipación de la energía, por lo que el espaldón tendrá que soportar menos presión y habrá menos rebase.

2.6.- ESPALDON Se trata de la parte más alta del dique. Está ejecutado normalmente de hormigón en masa y tiene una doble función: - Dar acceso al dique en caso de reparación

46


- Limitar el volumen de agua que rebasa el dique, ya que si no existiese, para evitar el rebase necesitaríamos gran cantidad de material.

Espaldón con galería Fuente: Guía de buenas prácticas para la ejecución de Obras Marítimas

47


2.7.- MANTO SECUNDARIO Su función es proteger el material todo uno del núcleo en caso de que se produzca rebase del espaldón y parte del oleaje caiga a la parte posterior del dique. Se dimensiona de igual forma que el primero de los filtros. Su misión es evitar la erosión que produce el oleaje en los componentes que forman el dique, existen dos tipos de elementos según su forma de trabajo.

3.- DIMENSIONAMIENTO DEL MANTO DE PROTECCION 3.1.- ELEMENTOS QUE RESISTEN POR GRAVEDAD Son los que mas se utilizan en España y pueden ser de dos tipos: - Escollera con pesos de hasta 8 Tn. - De hormigón en masa en forma de cubos o paralelepípedos.

ESPALDÓN

MANTO PRINCIPAL

CUBOS

48


En ambos casos es necesario disponer dos capas de estos elementos

3.2.- ELEMENTOS QUE RESISTEN POR TRABAZÓN Deben su estabilidad al enganche entre sus partes. Son poco utilizados en España. Los más empleados son los siguientes: - DOLOS Plantean problemas de rotura debido a su esbeltez. Son muy frágiles, por lo que no se fabrican de más de 15 tn. Se disponen en DOS capas y hoy día son poco utilizados.

DOLOS

49


- TETRÁPODOS se disponen en dos capas de forma aleatoria

TTETRAPODOS

TETRÁPODOS

50


- ACRÓPODOS Tiene mucha mas masa que los anteriores y se encajan unos en otros. Se ubican en UNA sola capa y se sabe en todo momento cuantos y donde se colocan. Sin embargo con este tipo de elementos las averías se propagan de forma más rápida. Esta es la razón por lo que este tipo de diques no se consideran de fallo gradual o flexible sino de fallo instantáneo y rápido. Aguantan por el rozamiento de todos los elementos trabados de forma que si el agua los mueve, lo hace de forma conjunta.

ACRÓPODOS

- CORE-LOC De diseño similar a los anteriores pero mas esbeltos. Se colocan también en UNA sola capa y de forma predeterminada. El aspecto negativo frente a los elementos que trabajan por gravedad, es la rapidez de propagación de las averías lo que no ocurre en estos últimos.

51


CORRE-LOC

Comparación entre unidades de coraza para el mismo volumen de hormigón. Caso Puerto de San Francis.

52


La Tabla muestra que los Core-locs son relativamente más grandes y estables que las otras unidades para la misma cantidad de hormigón. De la misma manera, si todas las unidades (Acrópodo, Dolo, Tetrápodo, Cubo) fueran diseñadas para soportar alturas de ola de diseño similares, el tamaño de dichas unidades será mayor que las de unidades de Core-loc, como se presenta en las Tablas 1 y 3. Se debe tener en cuenta que influyen muchos factores en el diseño final de un rompeolas específico, como por ejemplo la capacidad de planta, accesos, disponibilidad de materiales, condiciones de mar típicas que afecten la visibilidad y facilidad de construcción, cota de coronamiento del rompeolas y diseño del talud.

Comparación entre unidades de coraza para el mismo volumen de hormigón. Caso Puerto de San Francis.

53


En la Tabla se presenta el ahorro esperado al utilizar Core-locs. La selección de coeficientes de estabilidad, ángulos del talud y criterios de riesgo de falla pueden influenciar estos cálculos, pero el ahorro de costos demostrado reflejan valores típicos para fines de diseño.

- X-BLOC

- CUBÍPODO Investigadores del Laboratorio de Puertos y Costas de la Universidad Politécnica de Valencia han ideado un nuevo elemento para la construcción del manto principal de diques en talud, el CUBÍPODO. El nuevo elemento es sencillo de construir y fácil de colocar, es mucho más estable hidráulicamente que el cubo tradicional y tiene una mejor respuesta frente al oleaje.

54


Modelo de dique construido en el laboratorio de puertos y costas


55


Vamos a calcular el peso necesario de estos elementos. Para ello y aunque existen diversos modelos como son los de: - CASTRO (1933) - IRIBARREN (1965) - SUAREZ BORES (1975) - HUDSON (1957) - VAN DER MEER (1988) - BURCHARTH (1992) - BERENGER (1993) y otros

3.3.- MÉTODOS DE CÁLCULO

3.3.1.- MODELO IRIBARREN Ramón Iribaren Cavanielles, figura insigne de la ingeniería portuaria española del siglo XX, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos de la Promoción de 1927, Profesor de Puertos en la Escuela Especial del Cuerpo. Además ostentó los cargos de Director del Laboratorio de Puertos, Presidente de la Delegación española en la Asociación Internacional de Congresos de Navegación. Académico electo de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Miembro del Consejo de Obras Públicas. Su labor profesional en el ámbito de la técnica marítima transcendió las fronteras de nuestro país, hasta el punto de que sin duda se le puede considerar paradigma del buen hacer dentro del conjunto de los técnicos y artífices españoles con proyección internacional. Este guipuzcoano es hoy recordado como el padre de la ingeniería marítima del siglo XX, ya que edificó todo un aparato técnico y científico en un momento en el que la ingeniería marítima estaba todavía basada en el más puro empirismo. Iribarren emprendió la tarea de construir un edificio sólido para una nueva ingeniería, basada en la aplicación estricta del método científico: observación, análisis físico matemático y experimentación. Iribarren brilló en estas tres facetas con aportaciones perdurables, como el Número de Iribarren que incluso trascienden en algunos casos el propio ámbito de las aplicaciones de la ingeniería para pasar a formar parte del saber más general. Fue Autor del proyecto y construcción de las obras de los puertos del Grupo de Guipúzcoa, Fuenterrabía, San Sebastián, Orio, Guetaria, Zumaya y Deva. Elaboró los informes acerca de la defensa de la Restinga y el proyecto del puerto petrolero de Loanda (Angola) y el informe sobre la defensa de las costas de Cartagena de Colombia. Entre sus trabajos publciados destacan los siguientes: “Una fórmula para el cálculo de los diques de escollera”, “Cálculo de 56


diques verticales”, “Obras de abrigo de los puertos”, “Talud límite entre la rotura y la reflexión de la ola”, “Generalización de la fórmula para el cálculo de los diques de escollera y comprobación de sus coeficientes”, “Violentas presiones accidentales producidas por la rotura de las olas”, “Otras comprobaciones de la fórmula para el cálculo de los diques de escolleras”, Es el único modelo que se basa en aspectos físicos concretos. Se plantea un talud con inclinación α y en él un bloque. Sobre este bloque actúan tres fuerzas: - El peso sumergido, Ws, estabilizadora - La fuerza del oleaje, Fp, desestabilizadora - La fuerza de rozamiento entre bloques, Fr

Para el cálculo del equilibrio existen dos instantes críticos: (I)

La ola de altura H, choca contra el talud y rompe, cae sobre los elementos del talud con cierta velocidad y genera una fuerza ascendente que intenta sacar los bloques del talud.

(II)

La ola impacta y rompe sobre el talud y al descender con velocidad ejerce una fuerza descendente y paralela al talud, que intenta mover los elementos del mismo.

57


En este modelo partimos de la hipótesis que la altura de ola es proporcional al cuadrado de la velocidad con que las partículas caen sobre el talud. (Conservación de la energía). Aplicando el teorema de Bernouilli, este cuadrado de la velocidad es así mismo proporcional a la presión que intenta levantar el bloque, o sea: H = K1 V2 = K2 ( P / γw) Por otro lado, si suponemos un bloque de forma cúbica la fuerza Fp es igual a P l2 por lo que en un bloque de forma genérica sería proporcional.

Si aplicamos las ecuaciones de la estática al bloque del caso (I), tendremos: Fr = Ws sen α (1) Además

siendo Ws = K1 l3 ( γa – γw ) (2)

Fr = tg φ (N plano) = tg φ ( Ws cos α - Fp ) (3)

Siendo tg φ = Coeficiente de engarce Por otro lado, Fp es proporcional a pl2 y esta a v2l2 y esta a su vez a Hl2, por lo tanto podemos poner: Fp = K3 γw l2 H (4) Resolviendo el sistema de las cuatro anteriores ecuaciones, obtenemos la formula de IRIBARREN:

H3 (γa / γw) W = N -----------------------------------------------------(f cos α +- sen α) 3 (( γa / γw)-1) 3

(+) para el caso (I) (-) para el caso (II)

58


Recomendaciones importantes para la aplicación de esta fórmula

1.- N es una constante que depende del tipo de equilibrio que tengamos y de la forma de los elementos empleados. Si el equilibrio es hacia arriba se toma positiva, por el contrario si el equilibrio se plantea descendiendo se toma negativa. Sus valores pueden preciarse en las tablas siguientes, obtenidas del texto “Diseño de diques rompeolas de V.Negro” pag 120 y 121, aunque con carácter general se pueden adoptar los siguientes valores para el caso de incidencia normal y equilibrio hacia abajo:

- Escollera normal -0,43 - Bloques paraleppédicos -0,43 - Tetrápodos -0,656

59


60


2.- Para el cálculo de H, se plantean dos supuestos: 2.1.- Si no hay rotura H = 1,5 Hs (altura de ola significante) 2.2.- Si la hola llega rota H = Hb (altura máxima de rotura o altura de rotura límite) 3.- Es obvio que para taludes mas tendidos, el equilibrio estricto se debe plantear hacia arriba, mientras que en taludes mas pendientes debe hacerse hacia abajo. En cualquier caso, se deben estudiar los dos casos críticos y tomar el mayor de los dos pesos obtenidos. 4.- Para calcular tg φ (Coeficiente de engarce), podemos adoptar los valores siguientes: - Escollera normal 2,38 - Bloques paralepipédicos 2,84 - Tetrápodos 3,44 5.- Este modelo se utiliza en el tronco del dique, no en el morro.

3.3.2.- MODELO DE HUDSON Es un modelo experimental que parte del análisis dimensional, tomando todas las variables quepueden influir para posteriormente utilizar solamente las significativas. Su expresión es la siguiente:

γa H3d W = -----------------------KDctg α ∆3

γa ∆ = --------- - 1 γw Siendo KD el coeficiente de estabilidad, cuyo valor viene expresado en la tabla siguiente:

61


Escollera 2 Capas Acrópodos 1 capa Bloques 2 capas Dolos

No rotura 4 7.5 10 31

Rotura 2 6.5 12 31.8

Un valor más elevado del que aparece en la tabla indica que el elemento es más estable. En general existen tablas para este factor para el inicio de la avería y para el inicio de la destrucción del dique. Vamos a utilizar las primeras, que son las que aparecen arriba. El valor de Hd (altura de diseño), depende de dos situaciones: a) Si el oleaje no está en rotura Hd = H 1/10 = 1,27 Hs b) Si el oleaje está en rotura Hd = Hb Este modelo se utiliza tanto en tronco como en el morro.

3.3.3.- MODELO VAN DER MEER Tiene en cuenta más variables que las anteriores y un mayor número de situaciones. Así como las anteriores calculan N o KD, al inicio de la avería Van der Meer propone formulas distintas para escollera y otros elementos. Aparecen nuevas variables como son: a) S (Índice de daños) que representa el porcentaje de área dañada (aproximadamente igual a 2) b) Nº de Iribarren

62


La Hs se toma siempre a pie de dique, pero L podría tomarse en aguas profundas o a pie de dique. Van der Meer utiliza siempre la primera o sea

Siendo Tm el periodo medio Tp = 1,15 Tm (Tp = Periodo de pico) c) Duración del temporal N (número de olas = 1000) d) Porosidad aparente o permeabilidad P Cuanto mas poroso es un dique más estable es ya que genera mayor perdida de energía. Su valor es el siguiente, según los casos:

C-1.- Si P = 0,1. Terrenos impermeables se pone filtro y dos capas

C-2.- Si P = 0,4. Se pone filtro, núcleo y dos capas

C-3.- Si P = 0,5. Se pone núcleo y dos capas

63


C-4.- Si P = 0,6 No hay filtro, ni núcleo, todo el dique está formado por elementos iguales.

TIPOS DE ELEMENTOS

1) ESCOLLERA Existen dos tipos de rotura, según el valor del número de IRIBARREN: 1.1.- VOLTEO

1.2.- COLAPSO

Llamando:

A la vista de estos datos, las ecuaciones de cálculo serán las siguientes:

64


1.1.- VOLTEO

1.2.- COLAPSO

Para la escollera, podemos utilizar la formula de Hudson

Siendo: Dn50 = diámetro nominal o medio de la escollera:

∆ = densidad relativa:

2.- CUBOS En este caso la expresión a utilizar es la siguiente:

65


Siendo:

Si el talud es más tendido estaremos del lado de la seguridad por lo que esta fórmula vale para valores de α menores del que se obtiene de la ecuación: Por otro lado, a falta de datos mas fiables se debe tomar N = 1000 olas. 3.- TETRÁPODOS En este caso la expresión es:

para :

Es de hacer notar que: • En cubos y escollera el fallo será gradual • Los tetrápodos tienen un fallo de tipo intermedio • En los dolos, acrópodos, CORE-LOC el fallo será rígido pues funcionan a trabazón como una sola capa y por lo tanto la avería progresa rápidamente. 4.- ACRÓPODOS Nod = 0 ya que no se permite el inicio de avería. 5.- CORE-LOC Solo podemos usar Hudson.

66


Para terminar vamos a definir diferentes valores de Hd en función de si la ola rompe por fondo o no lo hace.

Hd IRIBARREN HUDSON VAN DER MEER

NO ROTURA 1,5 Hs H1/10 = 1,27 Hs Hs

SI ROTURA Hmax,b Hmax,b H 2% / 1,4

4.-DIMENSIONAMIENTO DE LA BERMA DE PIE Una vez calculado el peso del manto, vamos a diseñar la berma de pié. El ubicarla, además de su función estructural (Dar estabilidad al manto), se debe a la necesidad de evitar llegar con el manto hasta el fondo, ya que los materiales de este son mucho mas caros. Para poderla construir tenemos que tener en cuenta que el oleaje de fondo debe ser escaso y así poder colocar elementos mas pequeños que los del manto que son mucho mas baratos. Recomendaciones de diseño 1.- Los materiales de la berma deben tener un peso entre 1/10 y 1/20 de los del manto principal. 2.- Deben tener como mínimo dos filas de elementos y su altura debe ser como mínimo 2 Dn50. Espesor ≥ 2 Dn50 3.- Su coronación no debe situarse en la zona activa, pues estaría sometida a excesiva energía.

h = Profundidad al pie del dique.

67


Es obvio, que a mayor ht, mas estable es la berma, sin embargo cuanto mayor es la altura de ola mayor peso de elementos necesito. 4.- Fórmula de GERDING

Condiciones geométricas:

Cuando no es posible una solución debido a las condiciones geométricas y del oleaje, ¡¡¡ NO SE PONE BERMA!!!

5.-DIMENSIONAMIENTO DEL ESPALDON Tal y como se vio en diques verticales, las presiones que ejerce el agua sobre el espaldón se pueden dividir en: • Hidrostáticas • Hidrodinámicas En principio el espaldón está seco, por lo que influyen únicamente las hidrodinámicas, pero supongamos un caso real en que el oleaje rompe en el talud y una masa de agua asciende y llega al espaldón. El flujo incidente accede de forma turbulenta, lo que hace que se pierda energía a medida que avanza, además en la parte interior de la berma de coronación pierde aun mas por fricción, por eso cuanto mas ancha es esta berma , mas energía se pierde. En el momento en que llega al espaldón la energía se transforma parte en presión hidrodinámica y parte en energía cinética haciendo que la ola ascienda. El diagrama de presiones se puede suponer constante y se llama LEY DE PRESIONES DE IMPACTO. A medida que el agua sube, rebasa el espaldón hasta que llega a la altura máxima, donde comienza el descenso.

68


1. PRESIONES HIDRODINÁMICAS

EMPUJE VERTICAL

En el momento en que la lámina de agua esta posición la ley de presiones adopta la forma siguiente y se denomina, LEY DE PRESIONES PSEUDOESTÁTICAS.

2. PRESIONES PSEUDOESTÁTICAS

EMPUJE VERTICAL

69


En resumen, aparecen dos fuerzas, una horizontal P, y una vertical U que pretenden desestabilizar el espaldón, siendo las fuerzas estabilizadores el peso y el rozamiento. Si analizamos el valor de P a lo largo del tiempo, la grafica es la siguiente:

PRESIÓN

DINÁMICAS PSEUDOESTÁTICAS

1

2

(1) Cambio de dirección del flujo marino (2) Subida máxima de la lámina de agua

El momento crítico de la seguridad es uno de los dos instantes anteriores por lo que es preciso comprobarlos ambos. Por último para comprobar la seguridad, tenemos que calcular, el coeficiente de seguridad al deslizamiento (CSD) y el coeficiente de seguridad al vuelco (CSV) igual que en los diques verticales.

6.- DIMENSIONAMIENTO DEL MORRO Los elementos que componen el morro tienen que ser de peso superior a los del manto, ya que se encuentran mas expuestos al oleaje.

70


A nivel de predimensionamiento se toma: Wmorro = 1,5 Wmanto A nivel de diseño, utilizaremos por separado las fórmulas de Iribarren y Hudson. Como recordatorio, conviene tener en cuenta el tema del ángulo de incidencia del oleaje. Dado que Iribarren es el único método que le tiene en cuenta, en caso de no conocerlo debemos utilizar incidencia normal o sea β=0

MORRO

7.-NIVELES DE CÁLCULO PARA BERMA Y MANTO Cuando se diseña un dique debemos tener en cuenta que el mar oscila siempre entre dos niveles extremos, BMVE y PMBE, por lo que es necesario verificar que el diseño del dique es apto para ambos niveles. Estos niveles son:

a) Nivel bajo o bajamar equinoccial Es posible que si la marea astronómica coincide con la meteorológica este nivel sea todavía mas bajo pero este caso de coincidencia no se estudia pues suele coincidir con anticiclones y hay poco oleaje. Por ello el MINIMO nivel de cálculo será el de bajamar equinoccial.

71


b) Nivel alto Aquí la coincidencia de la pleamar astronómica y meteorológica, puede tener clara influencia, por lo que se toma una sobre elevación metereológica de 0,5 -0,7 m. De los dos niveles, tenemos que estudiar cual de los dos genera una mayor altura de ola y entonces miraremos si hay o no rotura del oleaje por fondo.

• En el caso de NO ROTURA a menor profundidad hay mas altura de ola por lo que, Hs bajamar > Hs pleamar (solo un poco mayor) O sea que si NO HAY rotura se debe estudiar el caso con BMVE. • Si HAY ROTURA por fondo, cuanto mas cerca de la coste estamos mas rota está la ola y por lo tanto hay menos altura de ola, por ello, Hs bajamar < Hs pleamar (mucho menor) Es obvio que en este caso se dimensiona con PMVE.

8.-AVERIAS EN EL MANTO DE PROTECCION

72


Para evaluar el daño producido sobre un dique en talud hay unos parámetros que nos indican el % de piedras que se han desplazado de su posición original

5%

1%

Se considera que un bloque se ha desplazado cuando su centro de gravedad se ha desplazado una distancia igual a Dn50. La zona averiada se sitúa siempre cerca de la parte activa del oleaje, o sea de la zona cercana al nivel del mar.

El inicio de la avería se produce cuando se llega al 5% y llegado a este punto se pueden plantear dos casos: a) Dique de fallo gradual: 2 capas

73


b) Dique de fallo rígido: 1 capa CORE-LOC

La altura de diseño del dique se toma siempre después de la vida útil En los diques de fallo gradual se dan una serie de etapas: 1.- Cuando se han movido el 5% de las piedras, se produce el INICIO DE AVERIA. Esta irá avanzando por la zona en que ha comenzado hasta que quedan al descubierto un conjunto importante de piedras de la 2ª capa. 2.- En este punto llegamos a la avería de IRIBARREN, o sea se produce un hueco en la 1ª capa suficiente para que pueda salir una piedra de la 2ª. 3.- Comienza el verdadero problema, ya que llegamos al inicio de la destrucción al salir una piedra de la 2ª capa y el filtro queda a la vista. 4.- Las piedras del filtro, más pequeñas, se escapan por el hueco anterior y se produce la destrucción.

74


DESTRUCCIÓN INICIO DESTRUCCIÓN AVERIA DE IRIBARREN

5%

INICIO DE AVERIA

1%

Temporal

9.-MODOS DE FALLO FALLO: Cualquier situación de la estructura que implique que está fuera de servicio. Los modos de fallo serán las maneras de alcanzar la situación de fallo. Se clasifican en tres: • • •

Modos de fallo adscritos a estados límites últimos (ELU) Estado límite de servicio (ELS) Estados límites operativos (ELO)

ELU (Estados límites últimos) Dejan la estructura definitivamente fuera de servicio, son estados NO reversibles pues implica costes muy elevados. • • • •

Extracción de piezas del manto principal Extracción de piezas de la berma de pié Rotura de una pieza del manto principal Deslizamiento entre el manto principal y el filtro o entre el núcleo y los filtros. Suele venir provocado por: • Mala construcción

75


• • • • • • • • •

• Tamaño muy distinto entre las capas Pérdida de estabilidad global( Desliza como una ladera) Asiento excesivo Deslizamiento Vuelco Hundimiento( Relacionado con el anterior) Vuelco rígido Vuelco plástico Rotura del espaldón Socavación del pié del espaldón

Modos de fallo de los diques de abrigo según la ROM 0.5-05 (Figura importada de la ROM 0.5-05).

ELS (Estados límite de servicio) No deja la estructura definitivamente fuera de servicio. Se trata de un problema poco importante o de un problema reversible (se puede reparar). Dejan la estructura funcionalmente tocada. Son fallos acumulativos • •

Lavado de núcleo ( Sale material del núcleo por que el filtro falla) Colmatación del manto o de la berma (Entre los huecos del núcleo y la berma se cuela arena. No es problemático a priori,

76


pero a largo plazo puede comprometer la estabilidad del manto por tener menos permeabilidad.

ELO (Estados límite operativo) Son reversibles y aunque ponen la estructura temporalmente fuera de servicio, es posible repararla y puede estar plenamente operativa cuando cesa el agente que está causando el modo de fallo. • • •

Rebase Reflexión Transmisión por flujo poroso (La energía que llega al dique se puede transmitir a través del dique. No ocurre habitualmente debido a la impermeabilidad del núcleo).

Una estructura debe diseñarse para todos los modos de fallo. La ROM lo que hace es definir para los estados límites últimos una probabilidad de fallo a lo largo de la vida útil del dique.

En ELO, la ROM define el porcentaje de operatividad que no puede situarse por debajo de un valor límite. Es obvio que la probabilidad de fallo y operatividad dependen de las características de la estructura. Respecto a ELS, la ROM da recomendaciones.

10.- PREDISEÑO DE LA SECCION TIPO 10.1.- COTA DE CORONACIÓN Se define en base al rebase, de tal manera que debemos analizar cuanto rebase queremos dejar pasar.

77


Para ello se estudia el remonte, que es la altura máxima que alcanzaría el agua si el talud tuviera gran altura. En general, el rebase dependerá de tres factores: • Del % de olas que rebasan • Del volumen de rebase de la ola mayor • Caudal medio La cota de diseño será:

C.C = PMVE + SM + (1,5Hs ó 1,75 Hs)

10.2.- COTA DE CORONACIÓN DEL NÚCLEO La coronación debe estar por encima de la superficie libre para que los camiones puedan pasar, por lo que se trabaja en bajamar.

C.N = PMVE + (0,5 – 3,0 m.)

10.3.- TALUD DEL MANTO Y EL FILTRO • El talud del filtro y del manto deben ser paralelos. • A mayor talud mayor tiempo tenemos para que la energía se disipe y menos agua llega al espaldón.

10.4.- LONGITUD DE LA BERMA DE CORONACIÓN Lo primero es definir d, ya que a mayor d, mayor es la disipación de energía. Su longitud mínima deben ser DOS o TRES piezas o bloques del manto

d = (2 ó 3 ) Dn50 KA

78


KA= 1 (Escollera) KA= 1.1 (Cubos)

10.5.- ANCHURA DEL MANTO Recordar que en cubos o escollera se necesitan DOS CAPAS

em = ( nºcapas) Dn50 KA

En escollera KA = 1 10.6.- ANCHURA DEL FILTRO

ef = ( nºcapas) Dn50 KA

El espesor del filtro nunca puede ser inferior a 2 metros. 10.7.- CONDICIONES GRANULOMÉTRICAS DEL FILTRO Las capas que están por debajo del manto tienen que cumplir la condición de filtro:

D15( capa superior) < 5 D85 ( capa inferior)

79


-

D15 del granulométrico significa que pasa el 15 % del material D85 del granulométrico significa que pasa el 85 % del material

Esta condición de debe aplicar siempre entre capas contiguas o sea entre manto y filtro y entre filtro y núcleo, o bien entre filtros consecutivos.

10.8.- PESO DEL 1º FILTRO

W1 = ( Wmanto/10 - Wnúcleo/20)


W2 = ( Wmanto/200 - W1ºfiltro/20)


W3 = Wmanto/300 No menor de 200 Kg

10.11.- DIMENSIONAMIENTO DEL NÚCLEO Se ejecuta de material todo-uno, que es el material que sobra de la cantera una vez que se ha escogido el del manto y el del filtro. • •

Coronación Entre 10 y 12 m. Peso del material Hay diferentes teorías * 5 – 50 Kg * 5 – 100 Kg * 1 – 50 Kg

80


10.12.- BERMA DE PIÉ a) Dimensiones

Altura >2 Dn50 KA Coronación >3 Dn50 KA

b) Peso

WBERMA = ( Wmanto/10 - Wmanto/20)

En caso de que el suelo sea socavable, es preciso situar debajo de la berma una primera capa de escollera. Su peso sería el que se utiliza para el 2º filtro y su longitud medida desde el pié de la berma no debe ser inferior a 2 m.

81


En el caso de no existir berma de pie hay que prolongar el manto y enterrarlo en una zanja.

10.13.- NÚMERO DE PIEDRAS NECESARIO

Nº de piedras = [ Vol ( 1 – p ) ] / Dn503

Vol = area. Longitud del dique P = porosidad 10.14.- PREDIMENSIONAMIENTO DEL MORRO

Wmorro = 1,5 Wmanto

10.15.- PREDIMENSIONAMIENTO DEL MANTO SECUNDARIO El espesor del manto secundario es el mismo que el del PRIMER FILTRO.

82

Apuntes de Diques

Recommend Documents