Apuntes Ing. Marítima

APUNTES DE HIDRAULICA HIDRAULICA MARITIMA PROF.: ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

INSTITUTO POLITECNICO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ARQUITE CTURA UNIDAD ZACATENCO ZACATENCO Sanchez Salazar Edgar

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO “HIDRAULICA MARITIMA”

SANCHEZ SALAZAR EDGAR

GRUPO: ACV03

//2018

INDICE .......................................... .......................... .............. 3 UNIDAD I.- Introducción al medio marítimo .............................. ........................................ ........................... ..................... ........ 10 UNIDAD II.- Fenómenos oceanográficos .......................... ............................................. .......................... ........................... ............................. ........................... ..................... ........ 10 MAREAS ............................... ............................................ ......................... .......................... ........................... .......................... ................... ....... 10 Definición ................................ ............................................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 11 Clasificación .............................. ......................................... ............................. ............................. ......................... ..................... ......... 14 Niveles de marea ............................ ............................................. ............................ ........................... ............. 16 Utilidad de la ingeniería civil ............................... ........................................ ............................. ............................... ........................... ............... 16 Equipos de medición ............................ .................................... ........................... .......................... ......................... .......................... .......................... ................... ...... 18 VIENTOS ....................... ............................................. ............................ ............................ ............................ .......................... ................ .... 18 Definición ............................... ............................................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 19 Clasificación .............................. ........................................ .......................... ........................... .......................... ................... ....... 19 Fases de un huracán ........................... ........................................... .......................... ........................ ............ 20 Fuerzas que generan los vientos ............................. ........................................... ............................ ............................ ............................ ................. ... 22 Diagramas de Lenz ............................. .......................................... ......................... .......................... ......................... ................. ..... 25 Equipos de medición .............................. ...................................... ......................... .......................... ........................... .......................... ..................... ......... 27 CORRIENTES .......................... ............................................. ............................ .......................... ......................... .......................... ................... ...... 27 Definición ............................... Descripción y formación de corrientes superficiales por vientos, por marea y oleajes ......................................................................................................... 27 ............................................ .......................... .................. ...... 30 Principales Principales corrientes en el mundo .............................. .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 31 OLEAJE ............................

ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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........................................ .......................... .......................... ......................... ......................... ............... 31 Teorías de oleaje ........................... ............................................ ......................... ............. 33 Definición y características de una ola ................................ ........................................... ......................... ......................... ................... ...... 34 Calculo de altura de una ola ..............................

TRANSPORTE LITORAL .................................................................................. 47 ......................................... ........................... .......................... ......................... ................ .... 48 Métodos directos ........................... ............................................. ............................ ............................ ..................... ....... 50 Métodos indirectos ............................... ........................ 53 UNIDAD III.- Diseño de obras de protección marítima y portuaria ........................ ............................................ .......................... .......................... ........................... .......................... ...................... .......... 56 Espigones ............................... ............................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 57 Escolleras ............................... ............................................... .......................... .......................... ........................... ......................... ................... ....... 57 Rompeolas ................................. Para su estudio se dividen en dos tipos ........................ ..................................... ......................... ........................ ............ 57 Clasificación por su colocación en planta .......................... ....................................... ......................... ................... ....... 59 Clasificación por materiales que componen el rompeolas .......................... .................................. ........ 59 Criterios de diseño ........................... ........................................ .......................... ........................... ......................... ........................ ............. 59 Ejercicio ....................... ...................................... ............................ ......................... ......................... ......................... ......................... .................. ..... 63

...................................... ......................... .......................... ............... .. 67 UNIDAD IV.- Instalaciones en puertos .......................... Nociones de dragado .......................... ..................................... .......................... ........................... ......................... ......................... ............ 67

UNIDAD I.- Introducción al medio marítimo


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ACANTILADO Es un accidente geográfico que consiste en una pendiente vertical o abrupta y normalmente se alude el término cuando se está a la orilla del mar, pero también en montañas y tierra firme se presenta dicha formación.

ARCHIPIÉLAGO Es aquel conjunto, generalmente numeroso, de islas agrupadas en una superficie más o menos extensa del mar. Estas islas se encuentran cercanas entre sí y pueden tener su origen de diferentes maneras, y por eso hay varios tipos

ARRECIFE Gran masa constituida por organismos calcáreos sedentarios, como algas, corales u otras madréporas, que permanece sumergida durante la pleamar y sobresale ligeramente en la bajamar.

ATOLÓN Arrecife coralino de forma anular y con una laguna interior que comunica con el mar a través de pasos estrechos.

BAHÍA Entrada de mar en la tierra que forma una concavidad amplia donde pueden fondear los barcos para abrigarse del viento; es de menores dimensiones que un golfo y mayor que una ensenada.


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BARRA Es una formación de tierra en un cuerpo de agua. Las barras tienden a ser largas y lineales y es muy usual que se desarrollen en zonas donde se deposita grava o arena en aguas poco profundas y aparecen en ríos, lagos y mares. Está compuesta básicamente de arena, pero pueden ser de otro material más grueso que es arrastrado por la corriente de agua.

BOCANA Desembocadura de un río hacia la ribera del mar. Las bocanas son extensiones de agua dulce, que se mezcla con el agua de mar. También se denomina bocana a la entrada de un puerto, concretamente a la zona que queda libre entre los diques de abrigo.

CABO Es un accidente geográfico formado por una masa de tierra que se proyecta hacia el interior del mar

CALETA Es una “ensenada” de menor dimensión, pero mayor dimensión que una caletilla.

CAYO Es una pequeña isla con una playa de baja profundidad, formada en la superficie de un arrecife de coral.


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CORDÓN LITORAL Forma costera que se debe a la acción combinada de transporte de materiales por los grandes ríos y las corrientes de deriva litoral, originando depósitos que sustituyen a los contornos de la costa bajo la forma de un dique o series de diques que presentan un contorno medio entre los límites primitivos de la costa, y que siempre se dirigen en la misma dirección de las corrientes respectivas.

ENSENADA Entrante del mar en la tierra formando un seno donde pueden fondear los barcos para abrigarse del viento; es de dimensiones menores que una bahía.

ESTERO Es una formación costera que es invadida por el agua cuando sube la marea, cuando esta baja, se generan lagunas de gran extensión y de poca profundidad

ESTUARIO Tramo de un río de gran anchura y caudal que ha sido invadido por el mar debido a la influencia de las mareas y al hundimiento de las riberas; en algunos se acumulan extensos depósitos de fango mientras que otros se conservan relativamente libres por el efecto del retroceso de la marea.


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FARELLÓN Es un promontorio rocoso que se alza sobre el mar cerca de la línea de costa, originado por la acción erosiva de las olas sobre las partes más blandas de un acantilado. Esta forma de relieve resultante constituía con anterioridad parte de la tierra firme

FIORDO Depresión del continente invadida por el mar, generalmente alargada, estrecha y limitada por laderas altas y abruptas; se originó por el ascenso de las aguas marinas al producirse la fusión de los hielos tras las glaciaciones del cuaternario. Normalmente formados a partir de los 50-60° latitud sur y norte.

FLECHA O BARRERA LITORAL Una flecha o barrera litoral es una lengua de tierra o arena que se forma por medio de la acumulación de material (por lo general, de arena y cantos rodados) en costas con presencia de una bahía.

GOLFO Un golfo es una parte del mar de gran extensión, encerrada por puntas de tierra. Aplica para extensiones de área grandes.


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HUMEDAL Un humedal es una zona de tierras, generalmente planas, cuya superficie se inunda de manera permanente o intermitentemente.

ISTMO Lengua de tierra que une dos continentes o una península con un continente.

LAGUNA COSTERA Una laguna costera, en geografía física, se emplea para referirse a una laguna o cualquier cuerpo de aguas poco profundas que está separado de las aguas profundas marinas por una barrera, bien sea una isla barrera, un cordón litoral, un banco de arena de origen marino, un arrecife coralino o algún accidente similar. Solo hay agua salada.

LITORAL Constituye el área de transición entre los sistemas terrestres y los marinos. La geografía litoral es la rama de la geografía que se ocupa del estudio de la interacción dinámica entre el océano, el clima y la tierra. Incluye la comprensión de los procesos de meteorización costeros, los diferentes tipos de olas y su acción sobre la costa, el movimiento de sedimentos, el clima costero, así como también el impacto de las actividades humanas sobre la costa.


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MANGLE Salida de rio formada por escolleras que sirven como guías.

PENÍNSULA Tierra cercada por el agua, y que sólo por una parte relativamente estrecha, está unida con otra tierra de extensión mayor.

VIENTOS ALISIOS Los vientos alisios son aquellos que soplan entre los trópicos. Estos vientos parten de zonas subtropicales de alta presión con rumbo a regiones ecuatoriales de baja presión: por la rotación del planeta, los vientos alisios se desvían hacia el oeste por el efecto Coriolis. Lo s vientos alisios soplan de manera relativamente constante e n verano (hemisferio norte) y menos en invierno. Circulan entre los trópicos, desde los 30-35º de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales

VIENTOS CONTRALISIOS El contraalisio o antialisio es el viento constante ubicado en la parte superior de la atmósfera de la zona intertropical, que se origina en las proximidades del ecuador terrestre y que se desplaza en sentido noreste en e l hemisferio norte y en sentido sureste en el hemisferio sur. Es un viento opuesto al alisio, desplazándose por sobre éste en ambos hemisferios y llega hasta unos 30º de latitud aproximadamente. Se origina por la ascensión de grandes masas de aire cálido en la zona de convergencia intertropical que se desvían hacia zonas más frías, llevando consigo cierta cantidad de nubes cirrus y desplazándose hasta llegar finalmente a la cresta subtropical, donde las masas de aire descienden hasta la superficie. De este modo los vientos contralisios forman parte de la célula de Hadley.


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SOTAVENTO Y BARLOVENTO Sotavento y barlovento son términos marinos. Hacia dónde el viento se dirige se llama sotavento y de dónde sopla el viento se llama barlovento, que aluden a los lugares desde donde sopla el viento y se proyecta sobre las embarcaciones, aunque en la cacería, la climatología, la geomorfología, la ventilación en incendios y, en general, en geografía física y otras industrias humanas se usa esta terminología, también con el mismo sentido.

PUERTOS DE ALTURA Un puerto de altura es aquel que maneja mercancía de etiqueta internacional y requiere de aduana

PUERTO DE CABOTAJE Un puerto de cabotaje es aquel que mueve mercancía nacional entre puerto y puerto.

¿Cuáles son los principales puertos de la República Mexicana? Son los siguientes Acapulco*, Altamira, Coatzacoalcos, Dos Bocas, Ensenada, Guaymas, Lázaro Cárdenas, Manzanillo, Mazatlán, Progreso, Puerto Madero, Puerto Vallarta, Salina Cruz, Tampico, Topolobampo, Tuxpan, Veracruz. Aunque Acapulco tiene una API privada


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El kilometraje de litoral en la República Mexicana es de 11,122 km 

Pacifico: 7,828 km



Golfo de México y Mar Caribe: 3,294 km

¿Cuál es la densidad del agua de mar? Se aproxima a 1,027 kg/cm2 debido a la salinidad del agua


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UNIDAD II.- Fenómenos oceanográficos

Mareas DEFINICIÓN Llámese mareas a la oscilación periódica que tiene la superficie del mar, originada principalmente por los astros. Atendiendo a la ley de gravitación universal de Newton que establece que dos masas se atraen inversamente el cuadrado de su distancia, como se ve a continuación.

12   = 2 La constante G se debe a que es un factor de corrección, el cual contempla la forma y la densidad de las masas.


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CLASIFICACIÓN Las mareas se pueden clasificar en dos: Astronómicas y meteorológicas, las cuales a su vez tienen su propia sub-clasificación.

Mareas Astronómicas 

DIURNAS: Se caracterizan por presentar una pleamar y un bajamar en el periodo de un día lunar.



SEMIDIURNA: Este tipo de mareas se caracteriza por presentar dos pleamares y dos bajamares en el mismo periodo de un día lunar.



MIXTAS: Se caracterizan por presentar dos pleamares y un bajamar o dos bajamares y un pleamar en un día lunar.


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

PLEAMAR: Elevación máxima que registra la superficie del mar, ocurre durante las fases de la luna llena y luna nueva, también llamada pleniluvio o mareas vivas.



BAJAMAR: Elevación mínima que registra la superficie del mar, se da durante el cuarto creciente y cuarto menguante, también llamada mareas muertas o desicigias.

NOTA: Tanto las mayores como las menores amplitudes no se registran en el umbral de las fases lunares si no entre 24 y 48 horas después, debido a la orografía de la Tierra y la densidad del mar.


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Mareas meteorológicas Son incrementos que tiene los cuerpos de agua tales como: Lagunas Costeras, Bahías, Caletas. Estas se dan por efecto de Viento y/o Tormentas mar adentro en una zona denominada FETCH.


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FETCH: Zona donde se genera gran perturbación. Por efecto de aumento de temperatura. Es una longitud en dirección a la costa, donde se genera viento, localizada en un área.

A continuación se muestra una representación gráfica de las mareas meteorológicas. Donde la sobreelevación (S) se calcula de la siguiente forma

2   = 



2 

2  =

 ℎ

Dónde: S: Sobreelevación (m.) N: Factor de Forma del embalse N=1 → Si es Irregular N=2 → Si es Rectangular o similar.

V: Velocidad del Fetch = [m/s] K: Tensión Superficial del Agua. (3.3x10-2, en agua) h: Profundidad Media del Embalse (m.) F: Longitud del Fetch. Ø: Angulo de la Línea del Fetch con respecto a la costa. C: Coeficiente que está en función de la forma del cuerpo de agua y tensión superficial, pudiendo ser (0.4x10-6 seg^2/cm).


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Mareas hidráulicas Se entiende como la propagación de la onda de marea que está sufre en un estrecho, o la terminación de un golfo, la cual se angosta en un extremo; registrándose este tipo de marea en el la Península, la terminación del mar Cortes y el Litoral del Pacifico. Además de la marea astronómica y meteorológica habrá que sumar la sobre elevación por propagación de onda.

NIVELES DE MAREA 

A.M.R. Altura Máxima Registrada: Altura Máxima Registrada altura máxima o más alta que haya registrado el nivel del mar a causa de un fenómeno sísmico o meteorológico como un huracán, ciclón o tsunami



N.M.R. Nivel Máximo Registrado: Es una sobre elevación que presenta la superficie del mar cuando ocurre un fenómeno meteorológico (huracán).



N.P.M.S. Nivel Pleamar Medio Superior: Este nivel sirve para marcar una línea de resguardo como zona federal.



También se utiliza para dar la cota de coronamiento en la capa del núcleo de un rompeolas.



Se usa también para "pantallas", dando el nivel de piso terminado en muelles.


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

N.P.M. Nivel Pleamar Medio: Promedio de todas las pleamares observadas en un periodo mensual, anual, etc.



N.P.M.I. Nivel Pleamar Medio Inferior



N.M.M. Nivel Medio del Mar: Se utiliza solamente como referencia en las principales ciudades y montañas más altas del mundo.

CDMX ≈ 2,240 m SNMM

Guadalajara ≈ 1,380 m SNMM

Everest ≈ 8,848 m SNMM

Popocatepetl ≈ 5,452 m SNMM



N.B.M.S. Nivel Bajamar Medio Superior:



N.B.M. Nivel Bajamar Medio: Promedio de todas las bajamares registradas en un periodo de observación.



N.B.M.I. Nivel Bajamar Medio Inferior: Este nivel es el que sirve como referencia para dar la cota de piso terminado en obras de infraestructura portuaria, como son: canal de navegación, dársenas de ciaboga, y dársenas en muelles


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

N.M.R. Nivel Mínima Registrado: Es el nivel mínimo que presenta la superficie del mar cuando ocurre un fenómeno meteorológico (huracán).



A.M.R. Altura Mínima Registrada: Altura mínima registrada altura que haya registrado el nivel del mar a causa de un fenómeno sísmico o meteorológico como un huracán, ciclón o tsunami.


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UTILIDAD DE LA INGENIERÍA CIVIL I.

Determinar niveles de piso en obras de infraestructura portuaria (canales de navegación, dársenas, muelles, patios, coronamientos, etc.).

II.

Apertura y cierre de bocas uso: i. Acuícola ii. Salinas

EQUIPOS DE MEDICIÓN 1) REGLA DE MAREAS: Son estadales metálicos que se colocan en las zonas resguardadas de corriente o de marejadas y tendrán como mínimo un mes lunar de observación a un año. Dependiendo la importancia de la obra de infraestructura,


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tiene la ventaja de ofrecer una lectura directa, pero la desventaja es el recurso económico (Una persona día con día, tomara lecturas).

2) ESTACIÓN MAREOGRÁFICA: Situadas en diferentes puntos, puertos, canales, alta mar, que están compuestas por el mareógrafo (a menudo este forma parte de una estación meteorológica más completa) y los equipos de alimentación y transmisión. Entra el nivel de mar en la tubería, la tubería debe ser reducida 1/200 en diámetro y está ubicada en una caseta.


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Vientos BARLOVENTO: Dirección desde la cual llega el viento. Por lo general, hace referencia a los vientos dominantes, es decir, los vientos constantes o planetarios, como son los alisios. SOTAVENTO: Un término marino que indica el sentido señalado por los vientos dominantes (tomando como referencia un lugar, dirección hacia dónde va el viento) y que es contrario a barlovento (dirección de donde proviene el viento). VIENTOS ALISIOS: Los vientos alisios son aquellos que soplan entre los trópicos. Estos vientos parten de zonas subtropicales (30°-35° de latitud) de alta presión con rumbo a regiones ecuatoriales de baja presión: por la rotación del planeta, los vientos alisios se desvían hacia el oeste por el efecto Coriolis. VIENTOS CONTRALISIOS: Los vientos contralisios son vientos constantes ubicados en la parte superior de la atmósfera -troposfera-, que se desplazan por encima y en sentido contrario a los vientos alisios. Estos vientos soplan con dirección al noreste en el hemisferio norte y con dirección al sureste en el hemisferio sur, entre los 30 y 60 grados de latitud.


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DEFINICIÓN Geográficamente se definen a los vientos como masas de aire en movimiento, originados principalmente por el cambio de presión atmosférica (gradiente).

CLASIFICACIÓN 

Vientos locales: Se caracterizan por soplar casi siempre en la misma dirección (vientos mono sónicos, vientos de la CDMX).



Vientos periódicos: Se caracterizan por invertir la dirección de donde sopla el viento en los cambios de estación del año, incluso entre el día y la noche. (brisa diurna, brisa nocturna). Ocurren porque el agua se calienta y se enfría más rápido que la tierra.


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

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Vientos irregulares: Se caracterizan por no presentar ningún patrón constante en la dirección del viento, atendiendo a las altas y las bajas presiones (ciclón, huracán, tifón).

FASES DE UN HURACÁN Un huracán o ciclón se genera en el mar entre los 5 y 8 grados de latitud norte cuando la temperatura del mar alcanza los 26.5°C, consta de las siguientes fases: 1. PERTURBACIÓN TROPICAL: Se presenta con lluvia y ráfagas de viento que van desde los 30 y 40 Km/h con una duración más menos de 4 horas hasta que se desvanece, más si persiste en el mar y se alimenta de nuevas zonas de alta presión esta se fortalece dando origen a una depresión tropical. 2. DEPRESIÓN TROPICAL: Se presenta en forma de lluvia intensa a ráfaga de viento que van desde los 60 a 90 Km/h con dirección hacia la costa. La cual se desvanece cuando impacta la costa y cerros altos, más si persiste en el mar encontrando zonas de alta presión esta se fortalece dando origen a una tormenta tropical. (En esta fase se detiene la circulación de barcos pequeños).


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3. TORMENTA TROPICAL: Se presenta con lluvia muy intensa y ráfagas de viento de 90115Km/h ya presenta movimiento contrario de las manecillas del reloj y dirección hacia la costa, con periodo de lluvia de las 12 hasta las 48 horas interrumpidas, visibilidad escasa en esta fase se impide el paso a la navegación de embarcaciones menores. 4. HURACÁN: Un huracán se presenta con lluvias con muy alta intensidad y vientos superiores a los 115Km/h se mide en escala Saphire Simpson y va de grado 1 a grado 5. GRADO

CARACTERISTICAS

VELOCIDAD KM/HR

I

Presentan derribo de árboles pequeños e inundaciones costeras en zonas bajas.

118-154

II

Rotura de vidrios, se derriban techumbres de tejados pequeñas, inundaciones severas al cultivo y daños severos y daños en estructuras menores

155-178

III

Daños en estructuras, presentando agrietamientos, derribo de árboles desde su raíz, inundaciones severas en zonas de cultivo, erosiones importantes en los caminos, daños a postes y cables de energía eléctrica y las estructuras grandes trepidan.

178-210

IV

Se hacen notar las características de un grado III con inundaciones y erosiones severas en la playa, desbordamiento de ríos y cauces, derribo de postes de línea eléctrica y daños en infraestructura carretera

210-250

V

Se multiplica exponencial las características de las fases anteriores. Daños severos en cobertizos , erosión sever a de playas

>250

FUERZAS QUE GENERAN LOS VIENTOS Gradiente. Representa una fuerza real de presión que da origen al denominado viento geos trófico, se puede evaluar a partir de la siguiente expresión:

1 − 2  = °  Donde: P1 y P2: Es la presión en las isobaras L°= Separación entre isobaras. Pa= Densidad del aire


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JUAREZ JACOBO SANDRA

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Una isobara es una línea que une puntos de una misma presión, cuando hay una zona de lata presión se le identifica con el prefijo se le identifica con el prefijo (H – “high”) y a las zonas de baja presión se les denomina (L – “Low”). 1mb = 0.750 mmHg 1 bar = 1000 mb 1mmHg = 1.33 mb 1 atm = 1013 mb = 760 mmHg

PRESION NORMAL

La denominada fuerza de Coriolis se genera debido a la rotación de la Tierra, es por ello que las partículas sufren una desviación en su trayectoria, aparentemente desviándose hacia la derecha en una curva cerrada para evaluar esta fuerza de Coriolis se recomienda la siguiente expresión.

 = 2   sin ∅ Donde: FCR = Fuerza de Coriolis ω = Velocidad angular

de la rotación de la Tierra v = Velocidad del viento = [NUDOS] ∅ = Grados latitud del punto analizado NOTA: Esta fuerza es directamente proporcional al sen ∅, en el Ecuador, esta tiende a 0. Fuerza del viento geos trófico (Real): Se define define como la unión de las dos fuerzas fuerzas anteriores, quedando la siguiente expresión.

1

∆

 = 2 ∆

Donde: Vg = Velocidad del viento geos trófico ρ = Densidad del aire = 1.247x10-1 gm/cm3 f = Parámetro de Coriolis =  = 2   sin∅ ω = Velocidad angular de la rotación de la Tierra = 0.2618

rad/hr ∆P/∆n = Gradiente horizontal de presiones.


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Por último el viento real (V) deberá afectarse por un parámetro de corrección que depende de la diferencia de temperaturas entre el mar y la Tierra, pudiendo quedar con el siguiente arreglo:

Tw = Temperatura del aguaTa = Temperatura del aire

 =  ∗ 

Tw – Ta

C

<0

0.60

0 – 10

0.65

10 – 20

0.75

> 20

0.90

Donde: Vg = Velocidad del viento geos trófico c = Parámetro de corrección Mapa de presión atmosférica en isobaras, el cual se puede obtener de CFE, CNA, Secretaria de la Marina o el Instituto Nacional de Geofísica (UNAM)


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DIAGRAMAS DE LENZ Son representaciones vectoriales de las características del viento plasmadas en una rosa de vientos (características del viento: velocidad, intensidad, dirección). El viento se mide en la dirección de donde incide, a través de su rumbo. En la rama de ingeniería marítima la unidad del viento es el nudo (Knut), a continuación se muestran las equivalencias de esta unidad: 1 nudo = 1 milla náutica por hr 1 milla náutica = 1852 m 1 nudo= 0.512 m/s

ROSA DE LOS VIENTOS

DIAGRAMA DE FRECUENCIA (N): Indica el número de veces que le viento sopla en determinada dirección llamados también “vientos reinantes”


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DIAGRAMA DE VELOCIDAD O DE INTENSIDAD (V): Indica la velocidad máxima del viento que se registra en cierta dirección, velocidad instantánea o promedio, este tipo de vientos se llama “vientos dominantes”

DIAGRAMA DE AGITACIÓN (NV): Se obtiene del producto de la frecuencia del viento por su intensidad en cada dirección y en un periodo de tiempo establecido, este tipo de vientos se llama “diagrama eólico”, ya que se utiliza para alinear estruct uras de generación eléctrica

por viento.

DIAGRAMA DE PRESIÓN O VELOCIDAD CUADRÁTICA (V2): Se utiliza en la orientación de espectaculares así como estructuras elevadas que es la velocidad máxima elevada al cuadrado.


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EQUIPOS DE MEDICIÓN VELETA: Instrumento que mide la dirección de donde proviene el viento.

ANEMÓMETROS: Son instrumentos que constan de tres, cuatro o seis capas, y que giran a partir de la velocidad del viento, mediante un sistema de relojería transforman las revoluciones por minuto (RPM) a metros por segundo (m/seg).

ANEMÓGRAFOS: Es una combinación de las anteriores pero tiene la ventaja que gráfica las características del viento.


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Corrientes DEFINICIÓN Se define a las corrientes como desplazamiento de masa de agua, principalmente ocasionadas por temperatura y por densidad, lo cual está en función de la salinidad del agua. Estos movimientos de agua NO son periódicos pudiendo tener lugar en las distintas capas a diferentes profundidades, o bien, entre ellas. La dirección de una corriente se mide hacia donde se dirige, lo contrario al viento, ya que se considera de donde sopla y no hacia donde sopla, las unidades para medir la corriente, es el nudo.

Tipos de corrientes Corrientes oceanicas (planisferio) Corrientes locales inducidas por viento Corientes { Corrientes por marea Corrientes por oleaje


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Equipos de medición CORRENTÓMETRO: Consta de un flotador de deriva, una baja fija de referencia y un sistema de comunicación entre ambos. El correntómetro se suelta desde la boya de referencia donde se anotará la dirección hacia donde se dirige el correntómetro a diferencia del viento que es de donde se procede. Se anotará el tiempo y la distancia para conocer la velocidad de la corriente, así como el rumbo a donde se dirige. La unidad para medir la velocidad de corriente es el nudo.

DESCRIPCIÓN Y FORMACIÓN DE CORRIENTES SUPERFICIALES POR VIENTOS, POR MAREA Y OLEAJES Hidraulicas Producidad por mareas { Rotativas Reversibles Corientes marinas Producidas por viento y oleaje Producidas principalmente por la {

densidad y temperatura

Corrientes oceánicas Este tipo de corrientes coincide con lo dispuesto en los vientos locales (alisios-contralisios), que casi siempre soplan en la misma dirección durante el año. Atendiendo a la temperatura de las aguas también se clasifican como cálidas y frías, basando su importancia en comportamientos de orden biológico a la relación de especies vegetales, así como presencia de especies marinas. Las diferencias de densidad conjugan a la misma variedad de especies, ya que afecta directamente la salinidad especies sensibles a la sal como son el mar muerto y el mar negro.

Corrientes por marea Para su estudio se dividen en tres, y son las siguientes: 

CORRIENTES ROTATORIAS: Producidas en las grandes masas de agua retiradas de la costa debido al gradiente hidráulico (diferencia de niveles de la superficie del agua), y generadas por la atracción de los astros. ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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

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CORRIENTES REVERSIBLES: Al igual que las rotatorias son causadas por la atracción gravitacional actúa principalmente en cuerpos de agua confinados, como esteros, lagunas costeras a través de un canal de comunicación con el mar, presentándose una erosión a veces importantes en el canal de comunicación por efecto del llenado y el vaciado del cuerpo de agua.


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

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CORRIENTES POR MAREA TIPO HIDRÁULICA: Este tipo de corriente se presenta por gradiente en dos cuerpos muy grandes de masas de agua (Canal de Panamá), que presenta diferencia de niveles de marea, tanto del Pacifico como del Atlántico, presentando una corriente importante.

Corrientes por densidad y temperatura Son las grandes corrientes, tanto superficiales como profundas que se dan por intercambio de densidades y/o temperatura, generalmente se presenta en cuerpos de agua dulce en la desembocadura de ríos hacia el mar, viéndose la superficie del mar arbolada, que indica presencia de corriente, siendo las principales corrientes del mundo.

PRINCIPALES CORRIENTES EN EL MUNDO


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Oleaje TEORÍAS DE OLEAJE Desde el punto de vista matemático el movimiento ondulatorio de la ola se puede describir a partir de diferentes teorías, todas complejas ya que toman en cuenta el movimiento orbital como circular, sinodal, trocoidal, inclusive como una onda solitaria. De las teorías más simples y de fácil aplicación para problemas de ingeniería marítima se tiene la teoría de AIRY o teoría de la pequeña onda amplitud o teoría lineal. Esta teoría da el comportamiento de una ola periódica y suministra una descripción del movimiento del fluido implícito en las partículas. En esta teoría de AIRY el perfil de la ola resulta tener un avance sinodal. La función que describe la superficie libre del agua la cual está en función del tiempo que le llamaremos el periodo de la ola, así como una distancia horizontal x y que adapta la siguiente expresión

 =

2

−

cos( 2

2 



)



Siendo: N = elevación del agua sobre el nivel de la superficie del agua en reposo. H/2 = mitad de la altura de la ola.


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GRUPO: ACV03

Ecuaciones de la teoría de airy Partiendo de las características de una ola como son: periodo (T), longitud de la ola (L), profundidad (d), están relacionadas entre sí y a partir de ellas se deducen las ecuaciones principales como su celeridad de la ola (C).

 = / Definiendo al periodo como el tiempo que transcurre en pasar dos crestas o dos valles consecutivos por el mismo punto.

La expresión que relaciona la celeridad de la ola o la longitud de la misma y con la profundidad está dada por la siguiente expresión:

 

√ 


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GRUPO: ACV03



Stokes (1847). Utiliza términos de hasta el quinto grado, incluyendo términos como la fricción. El perfil presenta crestas estrechas y surcos amplios y planos, similar a las olas que van entrando en aguas reducidas e intermedias. Es aplicable a olas de amplitud finita a todas las profundidades.



Trocoidal de Gerstner. Limitada a aguas de profundidad no reducida. Es similar a la de Stokes, si bien sus ecuaciones son más sencillas. Presenta el problema de un área de aplicación muy limitada y un peor ajuste al comportamiento real.



Onda solitaria (Rusell, 1844). Considera las olas en aguas someras como una onda solitaria. Se utiliza mucho en aguas someras, si bien la presencia de pequeñas pendientes de fondo genera problemas. Esto, unido a las dificultades de aplicarla a ondas oscilatorias periódicas ha generado dudas de su eficacia.



Cnoidal (Korteweg y de Vries, 1895). Se adapta bien a las olas de crestas escarpadas separadas por amplios surcos, típicas de aguas someras en la zona anterior a la rotura.


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GRUPO: ACV03

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE UNA OLA También llamadas ondas en movimiento por efecto del viento, incluso causadas por impacto. Una ola viaja cientos e incluso miles de kilómetros hasta llegar a la costa donde se disipa su energía.

CALCULO DE ALTURA DE UNA OLA Existen diversos métodos para cuantificar la altura de ola que posteriormente servirá para el dimensionamiento de obras de infraestructura. Los métodos estadísticos basados en cartas como lo son:

MÉTODOS ESTADÍSTICOS


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

GRUPO: ACV03

“Sea and Swell – USA” - ofrecen las características de las olas por rangos (bajo,

medio y alto en cuanto a su altura). Este es el método que se adoptó en el curso 

“Ocean wave – England” – ofrecen las caracteristicas de viento y oleaje por código,

siendo del orden del 1-10 para las diferentes magnitudes de altura de ola, por lo que resulta algo complicado. 

“Depth – Atmosphere – USA”. Estas cartas son el resultado de 10 años de

investigación de buques escuela de esas naciones e compañía de buques de la armada nacional auspiciados por la dirección general de oceanografía de la SCT. Para el territorio nacional se tiene la siguiente distribución de las cartas Sea and Swell.

Los métodos aritméticos se basan en calcular una altura de ola. A manera de ejemplo se calculara Hm (altura de ola media), H 1/3, H1/5. El siguiente orden de alturas de ola de ola. 1

3.85 m

2

2.40 m

3

3.10 m

4

2.70 m

5

2.95 m

6

3.20 m

7

2.68 m

8

2.90 m

9

3.75 m


Página 41



10

2.80 m

GRUPO: ACV03

Media de las olas

 = 3.03  1⁄3= Es la tercera parte de las olas más altas de un evento, para nuestro ejemplo (10/3 = 3.3). Por lo que se ocupan los tres datos más altos.

3.85  + 3.20  + 3.75  1⁄3 =

3= 3.60 

1⁄5= Es la quinta parte de las olas más altas de un evento, para nuestro ejemplo (10/5 = 2). Por lo que se ocupan los dos datos más altos. 3.85  + 3.75  2= 3.80  1⁄3 =

Sea and swell charts Son representaciones de las características del mar, alturas de ola a través de rangos de altura de ola, y que se describe en una rosa de oleaje. 

Oleaje local (SEA): Son olas generadas por viento local por periodos cortos, oleaje irregular del mar rápidamente cambiante y la dirección de la ola no siempre corresponde a la dirección del viento.



Oleaje distante (SWELL): son olas que han avanzado más allá de su zona de generación (fetch distante), con periodos largos y la dirección del oleaje es independiente a la dirección del viento el oleaje de mayor altura con crestas más uniformes y redondeadas. Se generan mar adentro.


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

GRUPO: ACV03

La altura de ola se da por rangos, siendo de la siguiente manera: RANGOS DE ALTURA Tipo de oleaje

BAJO

MEDIO

ALTO

OLEAJE LOCAL

0.30-0.90

0.90-2.40

2.40-3.60

m

1--3

3—8

8--12

ft

0.30-1.82

1.82-3.65

3.65-4.8 o mas

m

3—6

6—12

>12

ft

OLEAJE DISTANTE



Las características de dicha altura para oleaje local y distante se representan en una rosa de oleaje.



Interpretación de la carta


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 







GRUPO: ACV03

El número que aparece en la esquina superior izquierda representa el universo de olas en cualquier dirección o rango como oleaje local. El número que está en la esquina superior derecha representa en porcentaje a las calmas de oleaje local (entendiéndose por calmas a olas menores de 1 ft de altura). El ángulo inferior izquierdo representa al universo de olas en cualquier dirección o rango, del oleaje distante. Las cifras que aparecen en el extremo del vector representan al oleaje en esa dirección, sea local o distante. Partiendo del centro y sobre la línea, los dos primeros dígitos corresponden en porcentaje a olas de rango medio, los siguientes dos dígitos que no se indican corresponden a oleaje de rango alto. Cuando el porcentaje total de observaciones en determinada dirección es inferior al 15%, pero mayor al 6%, solo se indica el rango en porcentaje seguido de las siglas B (bjao) / M (medio) / A (alto).

NOTA: SI la rosa de oleaje tiene números en todos lados, e ntonces se puede deducir que es una isla.

EJEMPLO 1 A partir de los datos de la rosa de oleaje, calcular el número de olas por rango, en la dirección Este, como oleaje distante ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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GRUPO: ACV03

Número de olas local: 20,000 Número de olas distante: 15,000 * 0.23 = 3,450 olas Bajas (B) Media (M) Alta (A)

– > 3,450 * 60% = 2,070 olas – > 3,450 * 35% = 1,207 olas – > 3,450 * (100-60-35) % = 173 olas

EJEMPLO 2 Calcular por el método estadístico H 1/3 y H 1/5 de la siguiente rosa de oleaje en la dirección W como oleaje local. 1)

Calculo de numero de olas por rango Locales 12,000 * 0.35 = 4,200 olas

35

– > 4,200 * 58% = 2,436 olas Bajas (B) Media (M) – > 4,200 * 25% = 1,050 olas Alta (A) – > 4,200 * (100-58-25) % = 714 olas

Se procede a graficar las olas en el intervalo de olas que se encuentran.


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GRUPO: ACV03

 = 1 = 2436 ∗ 0.60 = 1461.60  = 2 = 2436 ∗ 1.50 = 1575.00  = 3 = 2436 ∗ 1.20 = 856.80  = 3893.40  3893.40  Altura de ola

∑  1/3 = 1/3 Suma de momentos

 = 1298 − 857 = 441 Por regla de tres 1.5 – 1575 X – 441







Cálculo de H1/5 Ya tenemos las áreas por rango

 = 3893.40 →  =

= 779 

El área que ocupa es 857 – 3.6-2.4 779 – x

 1/5 = 2.4 + 1.09 = 3.49  → 1/5 > 1/3

MÉTODO GRAFICO SMB (SVERDRUP MUNK BRETCHNADER) Este método puede ser usado como un estudio previo


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GRUPO: ACV03

EJEMPLO

 = 55 /ℎ = 15.28/ ≈ 30  = 8 ℎ (Se busca en la gráfica)

 = 10  = 3.04   = 7  Calcular la altura de ola provocada por una tormenta tropical con un tiempo de acción de 12 horas  = 90 − 115 /ℎ

 = 115 /ℎ = 31.94/ ≈ 65  = 12 ℎ (Se busca en la gráfica)

 = 35  = 10.69   = 13 


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GRUPO: ACV03


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GRUPO: ACV03

Fenómenos que modifican el oleaje Existen cuatro fenómenos que lo pueden modificar y son: 

Refracción  Difracción  Reflexión  Rompiente A continuación se explica cada una de ellas

Refracción Cuando un frente de olas viaja por aguas profundas mantiene constantemente sus características (longitud, periodo, altura, celeridad), conforme la profundidad disminuye, el fondo comienza a afectar el movimiento de las partículas del agua por la fricción que se genera al llegar a aguas someras, modificando sus características y la dirección de la ola presenta un cambio tendiéndose a volverse normal a la costa y los frentes de ola se asemejan a las líneas batimétricas, entendiéndose por líneas batimétricas a líneas que tocan a puntos con la misma profundidad. La Ley de Snell es usada para calcular el cambio de la dirección del oleaje, aunque en un principio se usa en la materia de óptica para saber cómo se refracta la luz solar a través de un lente hasta llegar normal al ojo humano. Snell propone la siguiente expresión.

 =  (⁄0 (0) Donde:

0 = Angulo con el que la ola incide en aguas profundas.  = Angulo de incidencia refractado, con el que la ola va incidiendo en aguas someras rumbo a la costa 0 = Longitud de ola en aguas profundas .



 ∗ 2 ≈ 1.56 2

 = Longitud de ola en aguas someras


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GRUPO: ACV03

2 )  = 0 tanh (

0

A manera de ejemplo, calcular el ángulo de incidencia en aguas someras, así como el coeficiente de refracción para profundidades de -30, -20, - 15…, -3. Para un tren de olas con un periodo T = 7 seg, y un ángulo de incidencia en aguas profundad 0 = 45°.

NOTA: Este método solo se recomienda para playas cuyas pendientes son constantes y suaves, como las playas del Golfo de México.

0 = 45°  = 7  Tipos de ola

Media

Profunda



 > . 

0.5 ≥



No profunda

1 >



≥ 

25

25

Calculamos el límite de aguas profundas


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GRUPO: ACV03

 > 0.5

 Calculamos

0 = 1.56 ∗ 72 = 76.44   = 0.5 0 = 0.5 ∗ 76.44  ≈ 38  Calculamos la longitud de ola en aguas intermedias (Tabla de cálculo recomendada) Ejemplo de cálculos 2

2 ∗ 30





 =  (⁄0 (0)) =  (75.30⁄76.44(45)) = 44.18 Profundidad

L0 m

“d”

L M

 °

 ° 

-38

76.44

38.00

45

-30

76.44

75.30

45

44.18

0.9930

-20

76.44

70.94

45

41.01

0.9679

-15

76.44

64.47

45

36.61

0.9386

-10

76.44

51.68

45

28.55

0.8972

-5

76.44

29.76

45

15.98

0.8576

-3

76.44

18.48

45

9.84

0.8572


Límite de Aguas Profundas L.A.P.

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GRUPO: ACV03

*Ver tablas de WIEGEL

Para batimetrías con pendiente pronunciada e irregular, para obtener el coeficiente de refracción Kr, el método llamado frentes de ola, la cual consiste en obtener frentes de ola virtuales desde el límite de aguas profundas (LAP), hasta la costa, tomando de referencia las líneas batimétricas que finalmente los frentes de ola se asemejaran a la forma de las batimétricas. Para la construcción de este método frentes de ola, se deberá tener un lao batimétrico a escala, no mayor de 1:10,000. Se forman tantos espectros de refracción como formas tenga la costa, bahía, ensenada, acantilado, etc.


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GRUPO: ACV03

Difracción Se le conoce como una transferencia de energía cuando un frente de ola se le interpone un obstáculo que puede ser natural o artificial como lo es un islote o un rompeolas. Las olas se curvean alrededor del obstáculo, penetrando hasta el área protegida (antepuerto, dársena). Diciéndose que se presenta una expansión litoral; ver arreglo de expansión. Para conocer el coeficiente de difracción Kd, se expresa a través de la siguiente expresión:

  =  Donde:

 = Coeficiente de difracción  = Altura de ola difractada.  = Altura de ola incidente.


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GRUPO: ACV03

Para obtener Kd a través de la altura difractada, puede ser a través de métodos analíticos y gráficos, dentro de los analíticos se recomienda la fórmula de Larras. −4⁄

  =

8  [ ∗ ( −











8 )]



Donde:

 = Altura de ola en un punto deseado   = Altura y longitud de ola incidente

 = Angulo formado entre la tangente del frente de ola en el punto M, y la paralela del frente de ola antes de difractarse. Para obtener Kd mediante el método gráfico, se recomienda los espectros de difracción que se encuentran en el Shore Protection Tome I.

Reflexión Cuando un frente de ola incide de manera casi paralela en un paramento vertical con rugosidad escasa, la energía al chocar con el obstáculo se refleja y cuando viene acompañada con otros subsecuentes frentes de ola, al reflejarse se produce un fenómeno llamado clapotis. Un clapotis se forma por la sobre posición de dos ondas progresivas de igual altura y periodo, y que avanzan en sentid contrario, esta onda estacionaria tiene la particularidad de aumentar al doble altura de la ola (2H). Cuando el paramento es totalmente vertical y liso se provoca una reflexión perfecta.


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GRUPO: ACV03

De la misma manera, cuando el frente de ola incide con cierto ángulo, este al reflejarse en un paramento vertical, lo refleja con el mismo ángulo con el que incidió.

Para conocer el valor de la energía reflejada se hace a través del coeficiente Kr:

  =  A continuación se muestra una tabla con diversos valores de Kr para diferentes tipos de superficie. Tipos de estructura

Kr

Muros verticales o casi

0.0 – 1.0

Estructuras con taludes t=2a3

0.4 – 0.8

Estructuras con bloque de concreto

0.2 – 0.4

Terraplenes

0.3 – 0.5

Playas naturales

0.1 – 0.4


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GRUPO: ACV03

OLEAJE HURACANADO

Transporte litoral Cuando la ola llega a la playa con un cierto ángulo de inclinación en su acción de llegar y resaca, mueve la arena (sedimento) en forma de zigzag a través de la playa, para evaluar la cantidad de arena que pasa por una sección existen métodos directos, como son los espigones e prueba, trampas y fosas de arena, trazadores fluorescentes o radioactivos. Dentro de los métodos indirectos (empíricos), se tienen fórmulas de distintos investigadores entre los cuales se encuentran los siguientes: CERC (Costal Engineering Research Centre)  LARRAS  CADWELL  LABORATORIO CENTRAL DE HIDRAULICA DE FRANCIA 


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Grupo

Cantos rodados

Guijarros

Grava

GRUPO: ACV03

Clase

Tamaño (mm)

Muy grandes

2000 – 4000

Grandes

1000 – 2000

Medianos

500 – 1000

Pequeños

250 – 500

Grandes

130 – 250

Pequeños

64 – 130

Muy gruesa

32 – 64

Gruesa

16 – 32

Mediana

8 – 16

Fina

4 – 8

Muy fina

2 – 4

Muy gruesa

1 – 2

Gruesa Arena

Limo

Mediana

0.5 – 1 0.25 – 0.5

Fina

0.125 – 0.25

Muy fina

0.062 – 0.125

Grueso

0.031 – 0.062

Mediano

0.016 – 0.031

Fino

0.008 – 0.016


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Arcilla

GRUPO: ACV03

Muy fino

0.004 – 0.008

Gruesa

0.002 – 0.004

Mediana

0.001 – 0.002

Fina

0.0005 – 0.001

Muy fina

0.00024 – 0.0005

MÉTODOS DIRECTOS ESPIGONES

Son elementos de material pétreo a nivel capa secundaria en función de su tamaño y que se colocan perpendicular a la línea de costa, con una separación de entre 300 y 500 m y una longitud entre 50 y 150 m en función de la pendiente de la playa; su objetivo es detener el avance de la arena, a su vez cuantificar el volumen atrapado, para posteriormente dragarlo. Previo a la colocación de los espigones se hará un levantamiento o seccionamiento playero o cada 20 m. Posteriormente una vez colocados se hará una calendarización de nuevos seccionamientos, que al cruzar la información se tendrá el volumen de arena atrapado entre los espigones.


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GRUPO: ACV03

T R A MP A S Y F O S A S D E A R E N A

Las fosas son excavaciones que se hacen con medidas geométricas exactas perpendiculares a la línea de costa (si el material lo permite, con medidas que van desde los 25m de longitud y 5 m de ancho y profundidad de 1 a 2, al igual que los espigones una vez excavadas las fosas, se realiza una calendarización de visita para medir el sedimento almacenado en las fosas.

Las trampas son elementos metálicos, que al igual que los espigones y las fosas se colocan en la línea llamada “Long Shore”, dos en la playa exterior, una más en la zona de rompiente, y otra en la playa superior (NPMS). Las cuales se deben dragar cada cierto tiempo como acción de mantenimiento


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GRUPO: ACV03

T R A ZA D OR E S F L UO R E S C E N T E S

Consiste en pigmentar una porción de arena de mar a través de pintura a base de fosforo. Para realizar esta prueba se debe tener un observador a cada cierta distancia, normalmente es a 50, 100 y 200 metros, y una persona que pigmente la marea en la costa. Entonces con ayuda de un cronometro se debe tomar tiempo desde el momento en que se coloca la pintura, que usualmente es alrededor de las 3 o 4 de la tarde, hasta el momento en que el observador llegue a ver la pintura. A partir de esto se puede calcular la velocidad del transporte litoral. NOTA: Los métodos directos son más exactos y caros que los métodos indirectos.

MÉTODOS INDIRECTOS Dentro de las teorías que han dado mejores resultados para cuantificar el transporte litoral, son las anteriormente mencionadas, todas se basan o tienen como variables, principalmente la altura de la ola, el ángulo en que la ola incide a la costa, el periodo y su coeficiente de refracción.


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GRUPO: ACV03

FORMULA DE CERC La formulación utilizada para la estimación del transporte longitudinal será la fórmula del CERC (Coastal Engineering Research Center) o Método del Flujo de Energía (CERC, 1984). Consiste en estimar el potencial de transporte longitudinal sobre una costa conociendo las alturas de las olas, su ángulo de incidencia con respecto la línea de orilla y las respectivas frecuencias a lo largo de un periodo. Esta fórmula empírica está basada en un ajuste experimental. Las principales ventajas de esta metodología son: Aplicable a trozos de costa. Puede ser usada para diversos alineamientos de playa dentro de un área de estudio.

 

No requiere levantamientos detallados de las características locales, apenas un conjunto de datos estadísticos de las ondas o alineamientos de la costa. El primer pasó a ser dado para la utilización del método consiste en determinar una dirección principal para la alineación del litoral. Tal procedimiento requiere una desratización de la línea de la costa en tramos.

 = 0.022 02 0 2 sin  cos  0 = 2

Donde Q = Gasto de la arena que pasa por una sección H0 = Altura de ola, aguas profundas T = Periodo g = Velocidad de la gravedad Kr = Coeficiente de refracción α = Oblicuidad del oleaje con la línea de rompiente

FORMULA DE LARRAS  =   02  sin( ) 2  Qs = Gasto de la arena que pasa por una sección K = Coeficiente en función del diámetro de la arena


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GRUPO: ACV03

H0 = Altura de ola, aguas profundas T = Periodo g = Velocidad de la gravedad Kr = Coeficiente de refracción −5 50 (0)

 = 0.11810 0 Hs = Altura de la ola en el punto donde se requiere conocer el transporte

2 = 0222 EJEMPLO Calcular el transporte de sedimentos que pasa por una sección playera con un tren de oleaje con las siguientes características. D50 = 0.4 mm

T = 9 seg

Kr = 0.899

α = 15°

FORMULA DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE FRANCIA Calcular el volumen de sedimentos que pasa a través de una sección transversal con la siguiente expresión 2

  ()    =  

Q = Volumen de sedimento transportado H = Altura de ola T = Periodo α = Oblicuidad del oleaje con la línea de rompiente t = Tiempo de acción del oleaje en cuerta dirección C = Relación de esbeltez de la ola, debe ser mayor a 1%

 = ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

> 1% Página 62



GRUPO: ACV03

    0.2     = 4.510−6 →    0.3     = 3.010−6 →

 = 1.810−6 −1⁄2 →   > 0.3    Dm = Diámetro medio en milímetros de la partícula

() = sin 2

La fórmula de Q tiene implícita el diámetro medio de la partícula cuando las arenas son mayores a 0.3 mm. El diámetro medio es diferente del D50, a menos que sea una curva granulométrica con material bien gradado; como no lo es, diámetro medio se obtiene a parti r de la siguiente expresión. Diámetro (mm)

Porcentaje que pasa

1.1

87

0.7

72

0.45

63

0.39

49

0.12

38



 Di = Diametro medio del intervalo Pi = Porcentaje del intervalo en que se divide la curva granulométrica. Calcular el diámetro medio de la curva granulométrica (1.00 – 0.87) * 0.00 = 0.00 (0.87 – 0.72) * 0.90 = 0.05


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GRUPO: ACV03

(0.72 – 0.63) * 0.58 = 0.06 (0.63 – 0.49) * 0.42 = 0.03 (0.49 – 0.38) * 0.26 = 0.02 (0.38 – 0.00) * 0.05 = 0.00

 = 0.29

FORMULA DE BIJKER

UNIDAD III.- Diseño de obras de protección marítima y portuaria BATIMETRÍA

Es la obtención de líneas batimétricas (líneas que tocan puntos con la misma profundidad). El método directo manual para obtener curvas batimétricas se recomienda para zonas de agua no mayores de 20 m de profundidad. Para obtener las coordenadas x, y, z de cada punto batimétrico se hará con los siguientes instrumentos.

Equipo en tierra

Equipo en agua

2

Estación total (tránsitos)

1

Embarcación de 8 a 10 pies de eslora con motor fuera o dentro de borda

2

Brigadas topográficas

1

Brigada: Lanchero, anotador

Balizas (varias)

2

Obrero general

-

Equipo de comunicación (Radio, banderas, celular, etcétera).

-

Equipo de comunicación

-

Sondaleza (± 30 m)

-

Brújula


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-

GRUPO: ACV03

Escandallo o plomada grande

A continuación se mencionan los pasos que se realizan para realizar la batimetría. Previo al recorrido de lancha (embarcación), se dibuja un croquis de navegación señalando los puntos de detención aproximados auxiliado con las balizas colocadas en la playa (tierra) entre 20 y 30 metros de separación según la aproximación del trabajo que se desee con la brújula de retorno. Se hace detener la embarcación en el punto n (Pn), en ese momento el tránsito 1 y el transito 2 visan a un punto señalado en la embarcación, anotando el ángulo observado por cada tránsito, en ese momento se suelta la sondaleza y el escandallo hasta tocar fondo, anotando en ese punto y por cada uno de ellos la profundidad o recorrido de la sondaleza. Se repite la operación “n” veces en la inteligencia de que a mayor número de

puntos, mayor será la precisión de la batimetría. Ya en gabinete se cruza la información de los tránsitos para conocer la longitud de cada punto señalado (detenciones), teniendo una longitud conocida y dos ángulos para cada punto, mediante la ley de seños o cosenos se determinara la longitud faltante que serán las coordenadas (x, y), la coordenada “z” se señala directamente del trabajo de la brigada de

agua en cada punto.


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GRUPO: ACV03

Se hará una corrección por marea si es que los datos varían más de una semana en el trabajo.

Ecosonda Es un instrumento que sustituye a la sondaleza y al escandallo. Consta de un transductor que emite una señal hacia el fondo, la cual es reflejada y recuperada por medio de un receptor, registrando el tiempo de respuesta emitida por la frecuencia, lo cual en automático da la coordenada z que él es la que se busca. La obtención de las coordenadas x, y se realiza del mismo modo anteriormente mencionado. Además hay ecosondas de tipo monohaz o multihaz.

Sonar (sound navigation and ranging)


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GRUPO: ACV03

El sonar (navegación por sonido) es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos. El sonar puede usarse como medio de localización acústica, funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir ondas electromagnéticas emplea impulsos sonoros. La señal acústica puede ser generada por piezoelectricidad o por magnetostricción.

Otras metodos para obtencion de batimetria Se utilizan la combinación de dos técnicas diferentes:  

INS (Sistema de Navegación Inercial) GPS diferencial o o

Superficie del agua Fondo marino

Olas de protección Son estructuras de material pétreo, natural o artificial, que se colocan en la costa con el propósito de detener el sedimento y aminorar la energía de la ola para su estudio lo separamos en tres partes. 

Espigones  Escolleras  Rompeolas

Espigones Son estructuras que se construyen perpendiculares a la costa, con el propósito de detener el transporte litoral(arena) que se forma al incidir la ola en la costa con un cierto ángulo de esviajamiento, lo que provoca movimiento de la arena en forma de dientes de cierre (zigzag), en una franja paralela a la costa llamada long shore.


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GRUPO: ACV03

Un espigón normalmente se conforma de roca, con separación entre ellos que van entre 300 a 500 metros y una longitud normal a la costa que va de los 50 a los 150 metros, previo a la colocación de los espigones se da un levantamiento playero con secciones a cada 20 m.

Escolleras Son estructuras de material pétreo que se construyen en ambas márgenes de un río con el propósito de evitar las “deltas” indeseables en la desemboc adura del rio al mar. Se construyen para ofrecer el sedimento que trae un río en aguas más profundas donde la energía de la ola es mayor y llevara al sedimento en forma de transporte litoral, la formación de los deltas son el inicio de los manglares.


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GRUPO: ACV03

Rompeolas Son estructuras de material pétreo cuya función es formar una zona de calma, proteger los accesos, zonas de maniobra y obras interiores del puerto de la acción del oleaje.

PARA SU ESTUDIO SE DIVIDEN EN DOS TIPOS: 1. Los que amortiguan la acción del oleaje.

1.1. Con piedras sumergidas que reducen la energía de la ola

1.2. Inclusión de agua o aire a presión (necesitan mucho mantenimiento)

Ambos se colocan a una profundidad igual a la mitad de la longitud de ola 2. Los que impiden el paso del oleaje. 2.1. Parámetro vertical o dique vertical ( a base de bloques de piedra)


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2.2. Rompeolas o talud a gravedad

2.3. Rompeolas mixto (una combinación de los dos anteriores)

CLASIFICACIÓN POR SU COLOCACIÓN EN PLANTA


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CLASIFICACIÓN POR MATERIALES QUE COMPONEN EL ROMPEOLAS  

Roca Elementos prefabricados de concreto ( Cubos, tetrápodos, core locks, baris).

CRITERIOS DE DISEÑO Se basará en el criterio más empleado, llamado criterio de estabilidad, por lo cual los rompeolas se dimensionan por peso de sus elementos, los cuales estarán en función de:

Altura de la ola Rugosidad de la roca o coeficiente de trabazón. Talud (ángulo) Peso específico de la roca De las fórmulas más empleadas se encuentra la del ingeniero M. Iribarren de España, que murió en 1967. La expresión de Iribarren es la siguiente:

  ∙   = ( − 1)3 cot  ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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Donde: P = Peso del elemento γs =

Peso específico de la roca Kd =Coeficiente de trabazón que es en función del tipo de oleaje y sección del rompeolas Sr = Coeficiente en un función de la densidad del agua y del solido va de 1.88 a 2.76 α

= Talud del rompeolas H = Altura de la ola Existen diversos autores (como 20), de diferentes nacionalidades para el dimensionamiento de un rompeolas, teniendo como elementos comunes la altura de ola de diseño, el peso específico del material, el talud y el coeficiente de trabazón entre las rocas, entre los autores más destacados se tienen: Nombre

Nacionalidad

Fórmula

3 ∙ 

704 Castro

España

 = [

]∗ cot 

3 ∙  R. Iribarren España

 3 ∙ 

Mathews

USA

0.0149



Larraz

Francia

  / 

3 ∙ 

 3 ∙  Hudson

USA

 =

 3 cot 

 ( − 1)


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Hudson es el compendio de las demás investigaciones, en su fórmula las variables significan lo siguiente: Wc = P = Peso del elemento (coraza) γm = Peso específico de la roca Kd =Coeficiente de trabazón (ver tabla) Sr = γm / γw α = Talud del rompeolas Hd = Altura de la ola de diseño γw = Peso específico del agua de mar

(1023 kg/m3) En el dimensionamiento de los elementos de un rompeolas se tiene: 1) Peso del elemento coraza (Wc) 2) Peso de los elementos capa secundaria (Wcs)   Wcs= a 10

20





1) Peso del elemento núcleo (WcN)

Wcn=

a 100

400

Valores de Kd Elementos de coraza

Valor de N

Piedra

Cuerpo estructura kd

Morro estructura kd

Colocación

Con Rompiente

Sin Rompiente

Con Rompiente

Sin Rompiente

Talud

De cantera lisa

2

Al azar

2.1

2.4

1.7

1.9

1.5 - 3

De cantera lisa y redondeada

3

Al azar

2.8

3.2

2.1

2.3

1.5 - 3

De cantera rugosa y angular

1

Al azar

2.5

1.5 - 3

2.9

3.2

1.5

2.5

2.8

2.0


2

Al azar


2.9

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GRUPO: ACV03

3.5

4.0

2.0

2.3

3.0


3

Al azar

3.9

4.5

3.7

4.2

1.5


2

Especial

4.8

5.5

3.5

4.5

2.0

5.9

6.6

1.5

5.5

6.1

2.0

4.0

4.4

3.0

8.3

9.0

1.5

7.8

8.5

2.0

7.0

7.7

3.0

15.0

16.5

2.0

13.5

15.0

3.0

5.0

Cualquiera

Tetrápodos y Cuadrípodos Tribar

2

2

Dolos

2

Al azar

7.2

Al azar

8.3

9.0

Al azar

10.4

22.0

25.0

Cubo modificado

2

Al azar

6.8

7.8

Exapodo

2

Al azar

8.2

9.5

5.0

7.0

Cualquiera

Tribar

2

Uniforme

12.0

15.0

7.5

9.5

Cualquiera

Piedra angular granulada

1

Al azar

2.2

2.5

Cualquiera

Ancho de corona (B)  1/3  =   ( ) 

= []

N = Numero de capas (2 minimo) Ka = Coeficiente de capa (ver tabla) W = Peso del elemento (kg) γs = Peso específico de la roca

NOTA: EL ancho de la corono (B), será el valor máximo que resulte de la formula o el ancho del camión volteador de roca más tolerancia de ± 1 m por lado por procedimiento constructivo.


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VALORES DEL COEFICIENTE DE CAPA KA Y POROSIDAD P% ELEMENTO

N

COLOCACION

COEF. DE CAPA KA

POROSIDAD P%

Lisa

2.00

al azar

1.02

38.00

Rugosa

2.00

al azar

1.15

37.00

Rugosa

>3

al azar

1.10

40.00

Tribar

2.00

al azar

1.02

54.00

Tetrapodo

2.00

al azar

1.04

50.00

Cubo modificado

2.00

al azar

1.10

47.00

PIEDRA

Espesor de capa (e)  1/3  =   ( )  El peso es el correspondiente a la capa, ya sea la coraza, o la capa secundaria.

Número de elementos por unidad de área    =   (1 − 100



1/3

) ()

Nr = Número de elementos por unidad de área A = Área considerada, puede ser 1x1, 2x2, 3,3 N = Numero de capas Ka = Coeficiente capa P = Porosidad W = Peso del elemento γs = Peso específico de la roca

Elevación de los coronamientos EJERCICIO Dimensionar las características en una sección del rompeolas con los siguientes datos: ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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Sección 1+280 Cuerpo -> Kd H1/3 = 4.10 m KR = 0.8990 (coeficiente de refracción) KS = 0.9595 (coeficiente de fondo) γs = 1900 kg/m3 γ = 1023 kg/m3 (peso del agua) N = 2 capas -> Ka Criterio: No rompiente -> Kd Roca: Angulosa rugosa -> Kd, Ka, P Talud = t = 2:1 -> α = 2

1. Calculo de la ola de diseño “Hd” para emplearla en la ecuación de Hudson

 = 1/3 = 4.10 ∗ 0.8990 ∗ 0.9595 = 3.54  2. Calculo del peso de los elementos De las tablas Kd = 4.00 Coraza (Wc)

3 ∙   = 

3.543 ∗ 1900 ( − 1)3 cot  = 1900

= 16,722 




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GRUPO: ACV03

En este punto se debe tomar en cuenta el peso de cada elemento de la roca ya que en base a esto se debe seleccionar un tipo de maquinaria que sea capaz de poder colocarla en el sitio. Capa secundaria (Wcs).

  =

 −

10

= 836 − 1672  20

El peso de la capa secundaria depende de la especificación de la compañía que lo coloca. Nucleo (Wcn)

  =

 −

100

= 45 − 167  400

3. Calculo del ancho de la corona “B”

  =   NOTA:



Se tomara el valor máximo de “B”, y el ancho del vehículo porteador de roca más un metro

de tolerancia por lado para este ejemplo.3.20 + 1.00 + 1 .00 = 5.20 

5.20 > 4.75  Se ocupa 5.20 m

4. Calculo del espesor de capa de coraza (ec) ING. OLMEDO GARCIA JUAN ENRIQUE

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  =  



Capa secundaria (ecs)

  =  



5. Número de elementos por unidad de área para un área de 2x2 m, en la coraza P, se obtiene de tabla

1

   =   (1 − 100

37 1900  3 ) ()= 2 ∗ 1.15(1 − 100) (16722)





Pero en un área de 2x2 m no caben las piedras, en un área de 3x3 m





Para la capa secundaria el Nr





6. Elevación de corona Cota capa Núcleo (Cn)

 =  + ℎ  = 0.60 + 0.50 = 1.10 


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El colchón seguro se propone Cota capa secundaria (Ccs)

 =  +  = 1.10 + 2.20 = 3.30   Nucleo (Cn)

 =  +  = 3.30 + 4.75 = 8.05  Las medidas dadas están en función del nivel medio del mar (NMM), el cadenamiento se hace a cada 20 metros.

UNIDAD IV.- Instalaciones en puertos

Nociones de dragado Algunas de las utilidades que tiene el dragado son las siguientes:              

Canales de navegación Construcción de puertos Mejoramiento de las redes de drenaje Proyectos de relleno de áreas Obtención de materiales de construcción Relleno de payas Protección contra inundaciones Excavación de trincheras para tuberías Mejoramiento y recuperación de embalses Minería de altamar Minería de arroyos Remoción de sedimentos contaminados Tapado de sedimentos combinados Creación de hábitats para aves o especies marinas


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NOTAS: La arena extraída de las playas no es muy útil como material de construcción por los silicatos que contiene, si es que se quiere utilizar esa arena se deben utilizar aditivos.

Dentro de los ríos navegables que requieren mantenimiento por dragado para su funcionamiento están los siguientes: Coatzacoalcos, Tuxpan, Panuco, Grijalva, Papaloapan, Río Balsas, entre otros.

Dragar es la acción de extraer material de un fondo de un rio, estero, laguna litoral, costa, a grandes rasgos se pueden clasificar de la siguiente manera:

Clasificación de dragas    

  {

MECANICAS / FIJAS {

    ℎ

ó   ó   


() { 

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HIDRAULICAS / EN MOVIMIENTO  − ó  

{

( ℎ) {  {

También existen dragas neumáticas (están en prototipo), y dragas sumergidas, pero no son muy usadas

Draga de rosario o de cangilones La draga de rosario, de cangilones, o de tolva continua (bucket ladder dredge, en inglés) es una draga mecánica formada por una cadena de cangilones montada sobre un robusto castillete. La escala de cangilones atraviesa el pontón y se hunde en el fondo para excavar el material. La acción de dragado se realiza mediante un rosario continuo de cangilones que levantan el material del fondo y lo elevan por encima del nivel del agua, volcándolo sobre el mismo pontón.

Es la única draga mecánica que excava de forma continua. Puede trabajar en todo tipo de suelos, incluso en rocas de hasta 10 MPa, siendo la dilución que crean al excavar poco importante. Además, se puede controlar con precisión la profundidad a la que se excava. La profundidad máxima de dragado se encuentra sobre 35 m, necesitando un mínimo de 5 m para trabajar. Puede dragar con unas condiciones de altura máxima de ola de 1,5 m y una velocidad máxima de corriente de 2,0 nudos.


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GRUPO: ACV03

Como inconvenientes son muy costosas, ocupan demasiado sitio, pues al posicionarse necesitan mucho espacio para extender los anclajes y no son apropiadas para el trabajo en aguas someras o cuando el espesor a trabajar es pequeño. Además, la necesidad de barcazas o el vertido directo dificulta su uso en tareas de regeneración costera. Todo esto ha hecho que estas dragas estén cayendo en desuso. A continuación el detalle de los cangilones

Draga de palas mecánicas Esta draga puede construirse de dos maneras: Las dragas tradicionales se operaban con cables mientras que Las dragas actuales son de tipo hidráulico. Como se indica en La figura 2.1.5.1 La draga opera excavando el material hacia adelante y hacia arriba. La pala está montada sobre un pontón que tiene pilones que son Las que proveen La fuerza de reacción necesaria a La fuerza de excavación.

La versión hidráulica de esta draga tiene muchas similitudes con la draga tipo retroexcavadora con el balde mirando hacia adelante y geometría diferente para el brazo. Muchos trabajos que se ejecutaban mediante estas dragas se ejecutan en la actualidad mediante dragas tipo retroexcavadora.


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Dragas de succión La draga de succión estacionaria consiste en una embarcación que porta una tubería conectada a una bomba que absorbe el material del fondo. Existen a su vez dos tipos: 

La impulsora simple que consiste en una embarcación que carga la bomba y que lleva la tubería que puede llegar hasta otro barco de transporte de material o algún sitio de destino del material como una playa.



La autoportadora contiene la bomba y transporta además el material dragado hasta el destino. Es apropiada para dragar materiales granulares y el acabado del fondo es

irregular.


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La draga cortadora o cutter suction dredger es igual que una draga succionadora estacionaria con la diferencia que lleva una cuchilla cortadora en la entrada de la tubería para disgregar el material. Se fija mediante spuds. Son capaces de cortar materiales con más de 500 kp/cm2 de resistencia a compresión simple. Actualmente son muy usadas por tener muchas ventajas: Extracción de cualquier material, ser capaces de trabajar en aguas someras, dejar un fondo uniforme y tener una alta producción. Sin embargo tienen algunos inconvenientes como son su sensibilidad a las condiciones marinas, la limitada distancia de dragado y su alto coste.

Dragas de succión en marcha o de arrastre Una draga hidráulica de succión en marcha o de arrastre es una embarcación autopropulsada y autoportante que draga de forma continua elevados volúmenes de material en aguas profundas, incluso admitiendo condiciones marítimas desfavorables. Este tipo de dragas suponen algo menos de la cuarta parte del parque mundial de dragas hidráulicas.


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Apuntes Ing. Marítima

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