Olas - Estructuras

TEMA 3. INTERACCION OLAS - ESTRUCTURA.

ENGINYERIA MARÍTIMA ETSECCPB

INDICE

1.INTRODUCCION...............................................................................................................................1 2.CARACTERÍSTICAS 2.CARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS Y ESTRUCTURALES.................................2 2.1. Parámetros dependientes del oleaje ...............................................................................................2 2.2. Parámetros dependientes del tipo de estructura...........................................................................3 estructura...........................................................................3

3.EL RUN-UP DEL OLEAJE O REMONTE (RU) ........................................................................6 3.1. Estructuras con pendientes lisas e impermeables.........................................................................7 impermeables .........................................................................7 3.2. Estructuras con pendientes rugosas e impermeables ...................................................................8 3.3. Estructuras con pendientes rugosas...............................................................................................8 rugosas ...............................................................................................8 3.4. Efecto de la existencia de Bermas...................................................................................................9 Bermas...................................................................................................9 3.5. Efecto de la oblicuidad del oleaje .................................................................................................11

4. EL RUN-DOWN DEL OLEAJE O ARRASTRE (RD) ..........................................................11 4.1 Estructuras con pendientes lisas lisas ...................................................................................................11 4.2 Estructuras rugosas........................................................................................................................12 rugosas ........................................................................................................................12

5.EL REBASE O “OVERTOPPING” (Q) .......................................................................................12 6. LA TRANSMISIÓN (CT)............................................................................................................15 7. LA REFLEXIÓN (CR) ....................................................................................................................17

TEMA 3. INTERACCION OLAS - ESTRUCTURA

1.INTRODUCCION

En este apartado se realiza una descripción de la interacción del oleaje con una estructura marítima, en lo que viene a llamarse parámetros hidrodinámicos, si el proceso se analiza desde el punto de vista físico en si (desde el punto de vista del oleaje) o respuesta hidráulica cuando se evalúa su impacto en función del tipo de estructura existente. Los parámetros hidrodinámicos de mayor interés (ver Figura 1) 1) a la hora de abordar el diseño de una estructura en talud son: ( i ) el run-up de oleaje, ( ii ) el rundown del oleaje, (iii ) el rebase del oleaje o “overtopping”, ( iv ) la transmisión del oleaje y (v ) la reflexión del oleaje.

Figura 1. Parámetros hidrodinámicos de interés en diques en talud

1


El objetivo principal de su cálculo reside en que todos ellos están involucrados, de una o otra forma, en el diseño funcional de este tipo de estructuras (geometría) o bien, se encuentran estrechamente relacionados con la estabilidad estructural de la misma. Así, por ejemplo, el cálculo del remonte (run-up) permitirá determinar la cota de coronación del dique si este es no rebasable (diseño funcional), mientras que el rebase (“overtopping”), si se produce, es el responsable de daños sobre la estructura (estabilidad) en su cara no expuesta al mar e incidiendo negativamente en el desarrollo de cualquier posible actividad portuaria (funcional). Tradicionalmente, las ecuaciones propuestas para su cálculo han sido desarrolladas a partir de experimentos en canales o piscinas de oleaje, en condiciones controladas aunque sujetas a efectos de escala. El motivo principal de esta aproximación es la dificultad de obtener una aproximación teórica al problema, puesto que en muchos casos dependen de variables de difícil cuantificación, como el tipo de disposición de la escollera o elemento de la capa exterior. Por ello, las formulaciones existentes son el resultado de ajustes estadísticos a una serie de resultados de laboratorio, con una cierta base teórica, por ello las llamamos soluciones semi-empíricas y cuya aplicación no es siempre universal (limitaciones geométricas de las estructuras ensayadas, oleajes, etc.). 2.CARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS Y ESTRUCTURALES

Puesto que la respuesta hidráulica depende tanto de las características del oleaje incidente como del tipo de estructura sobre la que actúa, ello obliga a determinar ambos tipos de parámetros de la forma más sencilla y genérica posible. 2.1. Parámetros dependientes del oleaje

Las condiciones de oleaje existentes actuantes son básicamente: • • • •

altura de ola incidente (H i) a menudo determinada por la altura significante (Hs) el periodo, definido como el periodo medio (T m) o el periodo de pico (T p) el ángulo de incidencia del oleaje con respecto a la estructura (β) la profundidad local (h).

El peralte es la relación existente entre la altura de ola y su longitud de ola correspondiente y es un indicador de la forma de la ola, su expresión en aguas profundas es s =

H Lo

=

2

2π H gT 2


en nuestro caso la ecuación ecuación se alimenta con un altura de ola Hs local (a pie de estructura, so) mientras que la longitud de onda puede ser alimentada con periodo medio T m o periodo de pico T p, indicándose el peralte como Som y Sop respectivamente. Finalmente, el Número de Iribarren (Ir) o parámetro de similitud de surf ( ξ) describe la acción del oleaje con una estructura, ha sido también utilizado para determinar el tipo de rotura existente (ver Figura 2), 2), y definido como ζ =

tanα S

siendo α la pendiente del talud y S el peralte, por lo que ξ puede anotarse como ξom o ξop en función de la altura de ola y periodo escogido. El número de Iribarren define pues el tipo de rotura que tendrá lugar (si se produce) al interaccionar un oleaje con un talud, indicando la forma en la que se disipará la energía sobre éste y por tanto dando una respuesta hidráulica distinta.

Figura 2. Tipos de rotura definidos a partir del número de Iribarren 2.2. Parámetros dependientes del tipo de estructura

Por lo que se refiere a los parámetros que definen las características de la estructura, estas pueden básicamente agruparse en: • • •

Parámetros de las características geométricas Parámetros de forma y rugosidad Permeabilidad

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Se entiende por parámetros de las características geométricas las propias dimensiones de la sección a evaluar (ver Figura 3), 3), entre la gran variedad de variables existente cabe señalar la existencia o no de berma así como sus dimensiones como uno de los factores que intervienen más directamente en la respuesta hidráulica de la estructura.

Figura 3. Parámetros geométricos de una estructura en talud. Los parámetros de forma y rugosidad están relacionados con el tipo de elemento de la capa exterior de la estructura en talud. Respecto a la forma, existe una gran variedad de tipos de elementos que responden de forma distinta al parámetro hidrodinámico a evaluar y básicamente pueden agruparse en: i ) macizos ii ) huecos o iii ) multi-patas (ver Figura 4). 4).

Figura 4. Tipos de elementos artificiales de una obra en talud

4


Respecto a la rugosidad, se diferencian 2 grandes tipos de estructuras: i ) estructuras lisas (ver Figura 5) y 5) y ii ) estructuras rugosas.

Figura 5. Revestimiento liso e impermeable (en estado de fallo). Finalmente la permeabilidad es otra de las variables a tener en cuenta y que dependerá del tipo de estructura a diseñar. Una de las clasificaciones comúnmente aceptadas se debe a van der Meer, tal y como se refleja en la Figura 6.

Figura 6. Permeabilidad de una estructura en talud según van der Meer (1993). 5


3.EL RUN-UP DEL OLEAJE O REMONTE (RU)

El remonte del oleaje (Ru) es la cota que alcanza el oleaje al incidir sobre una estructura respecto el nivel del mar en reposo. Como norma general, la caracterización vertical de cualquier parámetro hidrodinámico se encuentra siempre referida al nivel del mar en reposo (Still, Watter Level, SWL), debido a las fluctuaciones existentes en el nivel medio del mar, tanto por la propia acción del oleaje (wave set-up) como por la acción de agentes externos (e.g. presión atmosférica, viento). El remonte del oleaje determina la cota de coronación máxima que debe alcanzar la estructura en caso de que esta no sea rebasable. Para su cálculo se siguen 2 tipos de aproximaciones: i ) o bien se asume que el proceso es regular o bien ii ) se asume una irregularidad del fenómeno oleaje y por tanto del parámetro hidrodinámico en si. En ambos casos la predicción se basa en relaciones empíricas simples resultado de una gran variedad de ensayos realizados en canales de oleaje. En el caso de tratar el oleaje como un proceso regular (ver Figura 7) se 7) se asume que la respuesta hidrodinámica es única y solo viene condicionada por el tipo de estructura y el oleaje incidente quedando definido definido mediante mediante su altura altura de ola significante y periodo, periodo, quedando así definido definido el remonte significante significante R us. Por el contrario, cuando se asume una irregularidad se está aceptando el hecho de que la altura de ola utilizada no es única sino que representa un conjunto de H i que a su vez determinarán distintas respuestas del parámetro R u, en este caso, el análisis estriba en determinar el comportamiento probabilístico del remonte (mediante el ajuste de alguna función de densidad de probabilidad) o bien determinar su comportamiento a partir de un cierto umbral de excedencia. A menudo se utiliza el 2% de excedencia (R u2%) como variable de diseño especialmente en estructuras tipo revestimiento. Estudios recientes sobre la distribución probabilística del R u sugieren una distribución de tipo Rayleigh para estructuras simples y taludes entre 1:1.33 y 1:2.5. Como norma general puede decirse que en aquellas situaciones de proyecto donde no exista información sobre el Ru2%,la aproximación de tipo Rayleigh puede ser utilizada obteniéndose la relación Ru 2% = 1.4 Rus

donde Ru2% se corresponde con el nivel de remonte excedido un 2% y R us el remonte significante.

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Figura 7. Presentación de un Remonte regular e irregular. El Ru depende principalmente del talud, rugosidad y porosidad de la estructura así como de la existencia de una berma y de su geometría y, de la altura de ola incidente, periodo, dirección y ancho espectral del oleaje. El problema reside en que no se ha podido encontrar hasta la fecha una ley única y general que cubra todas las situaciones posibles (tipo de oleaje, oblicuidad, existencia de bermas, distintas estructuras, etc.) por lo que su cálculo debe realizarse a partir de aproximaciones del problema específico (la obra que el ingeniero debe realizar) a soluciones propuestas para distintas combinaciones estudiadas. 3.1. Estructuras con pendientes lisas e impermeables La mayoría de estudios de este tipo de estructuras se deben a Ahrens (1981), van der Meer (1989) y Allsop (1985) y se corresponden con estructuras lisas con taludes que oscilan entre 1:1 y 1:6. Los resultados obtenidos por estos autores se reflejan en la Figura 8.

Figura 8. Remonte significante y 2% para estructuras lisas impermeables. 7


De los trabajos de Ahrens y reflejados en la Figura 8 se pueden obtener las siguientes relaciones empíricas para el oleaje irregular 0 < ξ < 2.5

ξ p > 2.5

Ru 2% H s Ru 2% H s

= 1.6ξ p = 4.5 − 0.2ξ p

de igual forma, si se considera el remonte significante se obtiene 0 < ξ < 2.0

ξ p > 2.0

Rus H s Rus H s

= 1.35ξ p = 3.0 − 0.25ξ p

3.2. Estructuras con pendientes rugosas e impermeables

En este caso se recomienda el uso de los resultados anteriormente propuestos y multiplicados por un coeficiente reductor r como como el de la Tabla 1 (TAW, 1972). Tabla 1. Factores reductores del remonte Tipo Estructuras lisas e impermeables Escollera concertada, con mortero o asf alto Bloques de hormigón Escollera o elemntos de granito Cubiertas de cesped o encespados Elementos de hormigón rugoso Estructuras impermeables con una capa de elementos (rugoso) Elementos dispuestos en cemento Grav a, gabiones de graba Escollera redondeada 2 o más capas de escollera

factor reductor r 1.00 0.95 0.90 0.85-0.90 0.85-0.90 0.85 0.80 0.75-0.80 0.70 0.6-0.65 0.5-0.6

3.3. Estructuras con pendientes rugosas

Este tipo de estructuras, típico de obras de protección de abrigo de puertos y comúnmente conocidas como diques rompeolas, producen una disipación mayor de la energía incidente y por tanto una reducción del remonte. Esta disminución se debe en parte a la permeabilidad de las capas exteriores y filtro de la propia estructura así como el peralte y periodo del oleaje incidente. Los resultados obtenidos por van der Meer (1988) se presentan en la Figura 9, pudiéndose 9, pudiéndose obtener las siguientes relaciones para estructuras impermeables (P<0.4)

8

TEMA 3. INTERACCION OLAS - ESTRUCTURA ξ m < 1.5

Rui H s

= aξ m

Rui

ξ p > 1.5

H s

= bξ m

c

Figura 9. Remonte en estructuras tipo rompeolas (0.1 ≤P<0.4). mientras que para estructuras permeables (P>0.4) Rui

= d

H s

estando los coeficientes a, b, c y d asociados asociados a distintos niveles de excedencia i tal y como se reflejan en la Tabla 2. Tabla 2. Coeficientes de ajuste para estructuras rugosas Niv el de excedencia 0.10% 1% 2% 5% 10% Signif icante Medio

a 1.12 1.01 0.96 0.86 0.77 0.72 0.47

b 1.34 1.24 1.17 1.05 0.94 0.88 0.60

c 0.55 0.48 0.46 0.44 0.42 0.41 0.34

d 2.58 2.15 1.97 1.68 1.45 1.35 0.82

3.4. Efecto de la existencia de Bermas

La introducción de una superficie plana frente a la estructura produce una reducción importante del remonte puesto que ello significa variar el ancho y forma de disipar la energía al incidir sobre la estructura, especialmente cuando ésta se encuentra a profundidades menores a 0.5Hs, en este sentido a mayor ancho (B) se 9


produce una mayor disminución aunque esta presenta un límite máximo de forma que cuando supera 0.25Lo la reducción conseguida no es significativamente importante. En este sentido, van der Meer (1992) propone que para este tipo de elementos el siguiente factor reductor υ = 1 − r B (1 − r dB ) r B = r dB =

B / H 2 cot α + B / H h 2 B 2 H s2

en el que B es el ancho de la berma, h B es la profundidad, α la pendiente efectiva de la berma y Hs la altura significante a pie de obra, tal y como se refleja en la Figura 10.

Figura 10. Definición de ángulos en estructuras con berma. Posteriormente el PIANC (1993) propone un cálculo más simplista del coeficiente reductor siempre que se cumpla h B <0.5Hs tal y como se expresa en la tabla

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Tabla 3. Coeficientes reductores por existencia de berma a h B <0.5Hs Pendiente 1:5 a 1:7 1:4 ´1:3

coef iciente reductor 0.75 a 0.8 0.6 a 0.7 0.5 a 0.6

3.5. Efecto de la oblicuidad del oleaje

A priori cabría esperar una reducción del remonte a medida que el oleaje incide de forma más oblicua la estructura, sin embargo diversos autores (Owens, 1980; Tautenhaim, 1982 y Delft Hydraulics, Hydraulics, 1989) han constatado un efecto contrario (aumento) para ángulos (entre cresta del oleaje y estructura) que oscilan entre los 10º-30º, cuando se trata de oleajes regulares sobre estructuras lisas. Como regla general se acepta que cuando el oleaje se caracteriza por presentar crestas relativamente cortas (oleaje multidireccional, típica condición de mar de viento) el remonte que se produce al incidir sobre una estructura es máximo cuando este incide de forma perpendicular, produciéndose una reducción de alrededor del 20% cuando la incidencia es oblicua. Por otro lado, si el oleaje que incide sobre la estructura se presenta crestas alargadas (típica condición de mar de fondo, oleaje desarrollado) el remonte máximo se produce con un ángulo de incidencia entre 10º-30º.

4. EL RUN-DOWN DEL OLEAJE O ARRASTRE (RD)

El estudio del arrastre del oleaje al incidir sobre una estructura o playa es paralelo al realizado en el remonte. El arrastre del oleaje (R d) se define pues como la cota que alcanza el oleaje en su descenso con respecto al nivel del mar en reposo (ver Figura 1). 1). El interés existente en este parámetro reside en el poder extractivo de elementos de la capa exterior de una obra en talud que pueda alcanzar. El remonte y arrastre del oleaje definen pues la cota a la que la estructura o playa queda directamente expuesta a la acción del oleaje, es decir su proyección sobre el plano de la estructura o playa es la zona de batida del oleaje. 4.1 Estructuras con pendientes lisas

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Ahrens (1981) determina que el arrastre del oleaje producido en este tipo de estructuras puede determinarse como 0 < ξ < 4

R d 2% H s R d 2%

ξ p > 4

H s

= 0.33ξ p = 1 .5

siendo el Rd2%el arrastre excedido el 2%. 4.2 Estructuras rugosas

En el caso de estructuras en talud con escollera ampliamente gradada (gran variación de los diámetros de la capa exterior) o estructuras de escollera en general, Thompson y Shuttler (1977) derivan la siguiente expresión para el arrastre máximo (expresado como Rd1%) R d 1% H s

= 0.34ξ p − 0.17

Posteriormente, los ensayos realizados por van der Meer (1988) obtiene la siguiente expresión de arrastre R d 2% H s

= 2.1 (tanα ) − 1.2 P 0.15 + 1.5 exp(−60 s m )

en la que se incluyen los efectos de la permeabilidad de la estructura (ver Figura 6) y peralte del oleaje (s). 5.EL REBASE O “OVERTOPPING” (Q)

En determinadas ocasiones, el oleaje es capaz de sobrepasar la obra marítima diseñada, bien sea una obra en talud o de paramento vertical. Esta situación, que ocurre bajo la acción de oleajes muy severos, debe ser considerada como casi inevitable debiéndose prever en el diseño inicial de forma que los daños causados sean los menores posibles. A menudo el rebase, es decir el caudal de agua que sobrepasa la estructura por unidad de estructura es expresado como rebase medio ( Q ) en m3/s m, o bien como un parámetro adimensional definido como (Owen, 1980) 12


Q* =

Q gH

3 s

( s / 2π )

La determinación del daño causado por el rebase es de muy difícil cuantificación, en este sentido el CIRIA/CUR propone los siguientes valores máximos aceptables según la infraestructura o uso existente tras la obra marítima

Figura 11. Valores críticos de rebase según tipo (CIRIA/CUR) La aproximación para el cálculo del rebase es similar a la de los parámetros anteriormente vistos, es decir la realización de una serie de ensayos en los que se determina la cantidad de agua que sobrepasa la estructura ensayada (mediante el 13


uso de cubetas tras la estructura) y posterior ajuste de estos resultados a distintos parámetros como el francobordo (Rc en la Figura 3) o 3) o el oleaje incidente. Por desgracia, los tests realizados solo cubren una pequeña parte de las formas geométricas posibles. Aminti y Franco (1988) realizan una serie de ensayos sobre una estructura en talud coronada con un espaldón (ver Figura 12 ) llegando a las siguientes expresiones para el rebase Q * = A exp(− BF * ) Q * = A( F * ) − B Q * = (Q / gT m H s ) F * = F / Tm gH s ( F / H s )

en las que A y B son los coeficientes de ajuste (ver Tabla 4) y 4) y F el francobordo tal y como se expresa en la Figura 12.

Figura 12. Sección ensayada por Aminti y Franco para el cálculo del rebase

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Tabla 4. Coeficientes de ajuste A y B para el cálculo del rebase según Aminti y Franco para distintas pendientes de un dique en talud y coeficiente de ajuste encontrado (R2)

6. LA TRANSMISIÓN (CT)

En determinadas ocasiones las estructuras diseñadas (tanto de paramento en talud como vertical) presentan una geometría tal que suelen ser rebasadas de forma frecuente de forma que la energía transmitida tras la obra es suficiente para poder generar un nuevo oleaje. Este proceso recibe el nombre de transmisión del oleaje y queda definido como la relación entre la altura de ola incidente y transmitida (o bien en términos de energía) por el coeficiente de transmisión de forma que C t =

H t H i

=

E t E i

siendo Hi y Ei la altura de ola y energía incidente y H t y Et la transmitida tras la obra. Este proceso es relevante en aquellas estructuras que presentan una cota de coronación relativamente pequeña, próxima al nivel medio del mar, o bien se encuentran ligeramente sumergidas, en lo que se conoce como estructuras semisumergidas.

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Las estructuras semi-sumergidas presentan por un lado un menor impacto visual y disminuyen la altura de ola generada tras el dique, de forma que que minimizan sus posibles acciones. Además, al tratarse de obras que se sitúan por debajo del nivel medio del mar suelen estar dimensionadas por elementos exteriores de menor peso con lo que el coste de la obra es relativamente menor. Por ello han sido estructuras muy utilizadas en protección de costas, en donde se pretende reducir el transporte de sedimentos reduciendo la altura de ola, así como en diques de protección de abrigo, en donde la altura de ola inicial de diseño es disminuida por efecto de la transmisión generada. Una de las formas más aceptadas para la determinación del coeficiente de transmisión se debe a van der Meer (1990) en la que el coeficiente C t es relacionado con el francobordo de la estructura de forma que − 2.00 < Rc / H s < −1.13

C t = 0.8

− 1.13 < Rc / H s < 1.2

C t = 0.46 − 0.3( Rc / H s )

1.20 < Rc / H s < 2.00

C t = 0.1

siendo Rc el francobordo (valores negativos indican una estructura sumergida).

Figura 13. Coeficiente de transmisión del oleaje en estructuras en talud semisumergidas. Otra forma de transmisión de oleaje es la que se produce a través de la estructura (no por encima de ella), su cálculo suele ser realizado mediante distintos modelos numéricos. 16


7. LA REFLEXIÓN (CR)

Cualquier estructura marítima o playa produce sobre el oleaje incidente un proceso de reflexión cuya intensidad depende entre otros aspectos del poder disipador que la obra o playa presente. Así, una estructura de paramento vertical es considerada como prácticamente reflejante total, es decir no se produce ninguna pérdida de energía sobre la estructura y el oleaje es reflejado con la misma intensidad. Por el contrario, una estructura en talud rugosa (como el dique de abrigo de un puerto) presenta una reflexión menor puesto que parte de la energía del oleaje incidente es disipada a través de los huecos generados por los elementos de la capa exterior que lo forman. El coeficiente de reflexión CR, se define de forma similar al de transmisión como la relación entre alturas o energías incidentes y reflejadas de forma que C R =

H R H i

=

E R E i

siendo Hi y Ei la altura de ola y energía incidente y H R y ER la reflejada. Este proceso es relevante en obras de protección de abrigo puesto que puede influir de forma negativa en la propia navegabilidad del puerto al interaccionar con el oleaje incidente y produciendo unas condiciones de oleaje en frente de la estructura complejas (más peraltadas) con el consiguiente riesgo para embarcaciones de pequeña embergadura. Una de las aproximaciones más simples al cálculo del coeficiente de reflexión se debe a Batjes (1974) y es válida para el caso de pendientes lisas e impermeables C R = 0.1ξ 2

Postma (1989) propone la siguiente expresión para estructuras rugosas e impermeables C R = 0.125ξ p0.73

Sin embargo estas expresiones tienen una aplicación limitada a las condiciones y formas de oleaje ensayada (a parte de las propias derivadas por los efectos de escala existentes en los ensayos) no existiendo ningún método general para el cálculo apropiado de la reflexión.

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Olas - Estructuras

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