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Introducción Las unidades o piezas constituyentes de la capa principal del manto de un rompeolas denominada coraza, en un principio en la construcción de estas estructuras de protección costera y portuaria, han sido principalmente rocas con formas semiesféricas con aristas agudas, principalmente producto de la explotación de bancos de roca sana, para proporcionar pesos volumétricos que permitan tener la certeza de que las obras de protección sean lo suficientemente resistentes a los oleajes de los sitios donde fueron construidas. Con el paso de los años, estas piezas o elementos constituyentes del manto principal de un rompeolas a talud, se han modificado, ya que las necesidades se han incrementado de acuerdo a los requerimientos de generar y construir más y mejores obras de protección a lo largo y ancho del planeta, para poder realizar eficientemente los intercambios de mercancías, bienes y servicios cualquiera que estos fueren y que puedan ser transportados por medios marítimos. Esta necesidad de crear nuevas obras de protección portuaria, día con día, ha generado la investigación a partir de aproximadamente el primer tercio del siglo XX hasta años recientes en este siglo XXI, esto ha creado distintas formas geométricas de elementos artificiales que puedan colocarse en la capa coraza de los rompeolas. Las formas principales van desde los primeros cubos que fueron diseñados semejante a las rocas nombradas escollera (ver figura 1), formas cubicas, bloques antifer o cubo ranurado, tetrápodos, dolos, y distintas formas que varían de acuerdo a su geometría, sus valores de trabazón (sujeción) entre ellas mismas, al momento de ser colocadas sobre el talud del rompeolas.
Fuente: Bakker et al., (2003). Figura 1. Evolución de las formas geométricas de elementos constituyentes de la capa coraza.
Estado del arte Históricamente, la mayoría de las fórmulas de estabilidad hidráulica se determinaron para el comportamiento de la roca constituyente de los rompeolas, previo a los elementos artificiales prefabricados a base de concreto. Según Allsop et al. (2009) los rompeolas con coraza a base de roca predominan en muchas áreas del mundo. Sin embargo, la formulación empírica de modelos de estabilidad más ampliamente conocida corresponde a Hudson (1958 y 1959). Hudson notó que los coeficientes experimentales del modelo de Iribarren no pudieron determinarse con precisión a partir de pequeños experimentos a escala de estabilidad de rompeolas, porque sufren variaciones de una prueba a otra para las mismas condiciones experimentales. Así, Hudson propuso en 1958 una fórmula más sencilla tras realizar nuevas pruebas de estabilidad con oleaje regular y utilizó rocas de cantera y tetrápodos (lo que más tarde fue analizado con tribares, tetraedro y otra forma especial de elementos prefabricados de concreto): KD es el coeficiente de estabilidad del elemento, contabilizado por cada pieza que esta una función de la relación H/HD=0 HD = 0 es la altura límite de ola (donde no se produce daño), considerado como menos del 1% del volumen de unidades erosionadas relativo a él volumen total de rocas en la capa de coraza. H es la altura de ola significante.
α es la pendiente de la estructura del lado mar.
Recientemente, esta investigación sobre la estabilidad de los rompeolas continuó a partir de la fórmula de Hudson que realizó en 1958. En este contexto, Van der Meer (1985 a 1988), desarrolló en 1985 formulación semejante a cerca de la estabilidad con una difusión similar a la de Hudson, pero con algunas variantes. Se consideró la influencia de la altura de ola (H), el período de ola (por medio del número de Iribarren, ξ0), el número de ondas (Nw), el diámetro medio del cubo (Dn50), el peso específico relativo (Δ), la pendiente del rompeolas (cot α), y la permeabilidad de capa (P). Además, se introdujo el área de erosión adimensional (S) en las fórmulas de la siguiente manera:
Cumpliéndose la ecuación 2 para oleaje con rompiente tipo plunging, y para la ecuación 3 para rompiente de oleaje generado con el espectro de energía surging.
Van der Meer también desarrolló en 1988 la fórmula para cubos, tetrápodos y acrópodos, y por separado realizó el estudio para las pendientes más comunes para los rompeolas. En este utilizó un parámetro de daño, introducido por primera vez por Hedar en 1960, el cual fue: el número de unidades desplazadas fuera de la capa de coraza (N0) dentro de un ancho de capa de un cubo equivalente. Se asumió que esta magnitud equivalente a un cubo era igual al diámetro nominal Dn50 para cubos (ecuación 4), 0.65h para los tetrápodos (ecuación 5) y 0.7h para acrópodos (ecuación 6).
Falla si:
Investigaciones sobre elementos de coraza prefabricados Como se describió anteriormente, muchas han sido los investigadores que han realizado estudios para determinar en principio, el comportamiento de los elementos constitutivos de las capas de los rompeolas de enrocamiento, hicieron importantes avances en el diseño, comportamiento y determinación de las capas de los rompeolas. El principal análisis realizado en las investigaciones, se ha enfocado en la importancia de determinar el acomodo de las piezas constitutivas de la capa más expuesta al embate del oleaje sobre los rompeolas, es decir, la capa denominada coraza. De acuerdo al estado del arte, referente al tema de los elementos de coraza (figura 2), podemos identificar que de acuerdo al coeficiente de estabilidad de los elementos, hay distintas formas geométricas, las cuales, con base a esta peculiaridad tienden a ser más o menos estables una con respecto de las otras, lo que a su vez nos plantea la necesidad de analizar en este estudio, algunas de estas piezas para determinar cuál es el rango de confiabilidad de este coeficiente de estabilidad (trabazón) de entre las mismas piezas colocadas sobre los taludes de los rompeolas, que sirva como parámetro de estimación del posible daño que pueda registrarse cuando la estructura este o haya estado en interacción con el oleaje.
Fuente: Introduction of the Xbloc® Breakwater Armour Unit (2003). Figura 2. Evolución en el diseño de los elementos de coraza para rompeolas a talud.
Tales elementos artificiales diferentes a la roca que fueron abordados en este estudio son 3: Cubo ranurado (tipo antifer), Core loc y Xbloc o Bari. De los cuales se realizó la investigación correspondiente en distintas fuentes bibliográficas para establecer los parámetros que definen su colocación sobre la capa coraza del rompeolas, que a continuación se presentan.
Tabla 1. Valores de porosidad, coeficiente de estabilidad (K∆) y forma de colocación de elementos prefabricados.
*de acuerdo a la sección del rompeolas donde se sitúe, en este caso el valor corresponde a la sección morro.
Con estos valores se realizó el diseño de una sección de rompeolas (figura 3) convencional con talud 1.5:1, para ser analizada bajo condiciones de oleaje normal y extremo con dos tipos de oleaje generados con los espectros Bretschneider y JONSWAP.
Figura 3. Sección tipo de rompeolas para análisis de estabilidad estructural con elementos de coraza cubo ranurado, Core loc y Xbloc.
Marco analítico El diseño de cualquier obra marítima, así como su proceso constructivo, requiere la correcta caracterización de las acciones hidrodinámicas actuantes a menudo expresadas en términos de altura de ola, periodo y dirección. Por ello, el resultado final del diseño y ejecución depende en gran medida, de la precisión de nuestras mediciones del oleaje.
Descripción espectral de las olas El registro de las variaciones de la superficie libre del mar puede ser tratada de una forma espectral, es decir, la señal observada (oleaje irregular) puede ser descompuesta en un número de ondas sinusoidales (regulares o de frecuencia conocida) la suma de las cuales dan la señal original (figura 4). Esta descomposición de frecuencias es realizada mediante el algoritmo de la transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Tronsform, FFT).
Fuente: Tema2: Caracterización del oleaje. Figura 4. Espectro de energía del oleaje.
Un espectro de energía S(ω) (ω =2π/T) representa pues la energía asociada o cada una de las frecuencias del oleaje (irregular) estudiado, pudiéndose distinguir 2 extremos: 1) espectros de oleaje de banda ancha y 2) espectros de oleaje de banda estrecha.
Por otra parte, comúnmente el espectro Bretschneider se asume como el espectro de energía de ola estándar para representar las condiciones en mar abierto y para mares de periodos largos, representado por la siguiente ecuación:
Donde H1/3 es la altura de ola significante (El valor medio del tercio más alto de muchas mediciones de la altura media de olas); T es el período de ola dominante (que puede ser asumido como T1/3), relacionado con el período pico T = Tp /1.408.
Espectros de mar de costa Los espectros mencionados tanto Pierson-Moskowitz, JONSWAP y Bretschneider son relacionados para eventos de oleaje en mar abierto y en zonas de generación donde los eventos meteorológicos están bien definidos. En aguas poco profundas o someras con límites de generación de oleaje, se utiliza una variación de los espectros anteriores. En este caso la energía está más concentrada alrededor de la frecuencia pico. El espectro del Join North Sea Wave Project, JONSWAP, representa esta situación.
Donde:
El Número de Estado del Mar (Sea State Number SSN) representa condiciones de estado del mar definidas por varios parámetros, por ejemplo, la altura de ola significante y el período pico, estos parámetros definen completamente el estado de mar y por consecuencia el espectro. En la figura 5 se comparan los espectros Bretschneider y JONSWAP para un estado de mar.
Fuente: Aranda et al., (2004). Figura 5. Comparación de Espectros de energía del oleaje generado con el espectro de energía Bretschneider vs JONSWAP.
En el laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte, estos dos espectros Bretschneider y JONSWAP son los comúnmente utilizados con más frecuencia en los estudios de modelaciones de hidráulica costera y portuaria. En la figura 5, se puede resaltar la evidente diferencia del tamaño de los espectros de oleaje, donde le espectro JONSWAP contiene más cantidad de energía acumulada, por lo que se le considera como un espectro más agresivo (en términos de cantidad y fuerza de oleaje) que el de Bretschneider (que por sus características de definición de variables de altura de ola significante H1/3 y periodo significante T1/3, resulta en el más representativo para caracterizar el oleaje en costas mexicanas. Por ende, las computadoras que controlan los sistemas de generación de oleaje en el laboratorio de Hidráulica Marítima, se encuentra instalado el software que contiene estos dos espectros de energía (Bretschneider y JONSWAP) (figura 6 y 7) y resulta de interés relevante, verificar y caracterizar el desgaste que pueden causar con condiciones de oleaje (definidos por sus parámetros que dan forma al espectro) de tormenta a estructuras de protección construidos con distintos elementos de protección en la coraza de la estructura.
Figura 6. Espectro de energía Bretschneider y parámetros a definir en generación de oleaje para pruebas de laboratorio.
Figura 7. Espectro de energía JONSWAP y parámetros a definir en generación de oleaje para pruebas de laboratorio.
Desarrollo experimental Con la finalidad de revisar el porcentaje de vacíos permisible en la construcción de las capas más expuestas que componen a las estructuras de protección costera, principalmente la capa de coraza, el IMT realizó un estudio en modelo hidráulico en el canal de olas del laboratorio de Hidráulica Marítima, en el cual se probaron diferentes elementos de coraza sometidos a las mismas condiciones de oleaje en los cuales se cambiaron los porcentajes de vacíos de manera gradual de cada uno de ellos durante su proceso constructivo. La selección de los elementos de coraza para el presente estudio se basó en algunos de los puertos más importantes de nuestro país, los cuales cuentan con obras de protección construidas a base de elementos Core loc, Xbloc o Bari y Cubo ranurado. Para poder llevar a cabo los ensayos en modelo hidráulico se tomó en consideración la pendiente que actualmente se encuentra construida en el del canal de olas del laboratorio de Hidráulica Marítima (S= 0.031) y se realizó el diseño de la sección transversal (figura 3) para cada uno de los elementos de coraza seleccionados.
Metodología de cálculo, diseño y construcción de secciones de rompeolas Para realizar el diseño de las secciones transversales, se llevó a cabo la siguiente metodología: 1. Oleaje de diseño Para el presente estudio, se consideró una altura de ola diseño de 5.94 m para la sección constituida con elementos Core loc y con elementos Xbloc o Bari. Para la sección diseñada a base de Cubo ranurado, la altura de ola de diseño empleada fue de 4.36 m. 2. Cálculo del peso de los elementos de la coraza y del núcleo El peso de los elementos de la coraza se determinó mediante el criterio propuesto por Hudson, el cual se basa en la aplicación de la siguiente fórmula:
donde: W Peso de los elementos.
KD Coeficiente de estabilidad. gs Peso específico del material del elemento. gw Peso específico del agua de mar. a Ángulo de inclinación del talud de la estructura. Sr Densidad de los sólidos sumergidos (gs/gw) Por recomendaciones del Shore Protection Manual, se puede considerar un rango de pesos de entre el 75 % - 125% del peso teórico calculado de los elementos. Para el cálculo de los elementos del núcleo se consideró la siguiente relación:
3. Cálculo del espesor de la coraza Para el cálculo de los espesores de las capas, se tomó en cuenta las recomendaciones Shore Protection Manual (citadas en el capítulo 1) para cada elemento de coraza planteado en este estudio y calculado con la siguiente formula:
donde: e Espesor de la capa. n Número de capas. ka Coeficiente de capa. W Peso de los elementos. gs Peso específico del material del elemento. Con esta metodología se definieron los pesos de los elementos de coraza (Cubo ranurado, Core loc y Xbloc) a verificar en la modelación, para realizar una buena realización de la investigación, se determinó considerar en un peso de 19 Ton. a los tres elementos a estudiar, esto basado en la experiencia del personal a cargo de las modelaciones. Con elementos de coraza que se tenían ya construidos en el laboratorio de Hidráulica Marítima, se verificaron los pesos a escala (modelo) en báscula (fotografía 2) para poder obtener las escalas bajo las cuales realizar la modelación. Selección de la escala de líneas Para realizar la construcción del modelo hidráulico en el canal de olas del laboratorio de Hidráulica Marítima es necesario garantizar la similitud geométrica, cinemática y dinámica entre el modelo y el prototipo, por lo que se procedió a realizar la selección de la escala de líneas. De acuerdo con el diseño geométrico de las tres secciones transversales, y al considerar los elementos que integran cada una de las capas de dichas secciones, se realizó la selección de la escala de líneas con base a la siguiente metodología establecida por la Ley de Similitud de Froude: Esta Ley de Similitud establece que los números de Froude en prototipo y modelo deberán ser iguales. El número de Froude F2 se define como:
dónde: V: Es la velocidad, g: La aceleración de la gravedad. L: La longitud característica. La condición que deberá cumplirse es:
donde los subíndices m y p significan modelo y prototipo, respectivamente. Al sustituir (13) en (14) se obtiene:
Dado que la aceleración de la gravedad g es la misma tanto en modelo como en prototipo, entonces:
Por lo que la ecuación 14 cambia a:
Para la realización del presente estudio se seleccionaron diferentes escalas de líneas tal como se indica en la tabla 2. Cabe mencionar que la selección de las escalas de líneas con las que se construyó el modelo hidráulico en el canal de olas, se realizó con las dimensiones y pesos de los elementos de coraza que se van a analizar (Core loc, Xbloc o Bari y Cubo ranurado) disponibles en el Laboratorio de Hidráulica Marítima del IMT, de las condiciones de oleaje a estudiar en el modelo hidráulico y de la capacidad de generación del oleaje de los equipos.
Tabla 2. Escalas de líneas seleccionadas para llevar a cabo la construcción del modelo hidráulico en el canal de olas del laboratorio de Hidráulica Marítima.
Con las anteriores escalas establecidas, se realizó el cálculo de los pesos de los materiales para realizar la construcción de las secciones de rompeolas, y se obtuvieron los pesos por sección de rompeolas presentados en las tablas 3 a 5.
Selección del material Para llevar a cabo los ensayos en modelo hidráulico de estabilidad estructural de las secciones trasversales diseñadas, se procedió a realizar la selección de los materiales (fotografías 1 y 2) que integran cada una de sus capas a la escala previamente seleccionada.
Tabla 3. Pesos de los materiales seleccionados para la sección transversal diseñada a base de elementos Core loc.
Tabla 4. Pesos de los materiales seleccionados para la sección transversal diseñada a base de elementos Xbloc o Bari.
Tabla 5. Pesos de los materiales seleccionados para la sección transversal diseñada a base de elementos Cubo ranurado.
Fotografía 1. Selección de los materiales que componen la capa de coraza de las secciones diseñadas (elementos Core loc, Xbloc o Bari y Cubo ranurado) a las escalas seleccionadas.
Fotografía 2. Selección de la roca que compone las capas secundarias de las secciones diseñadas a las escalas seleccionadas.
Adecuación del canal de olas Para la realización del presente estudio se llevó a cabo la construcción del modelo hidráulico de estabilidad estructural para la verificación del porcentaje de vacíos permisible, en el laboratorio de Hidráulica Marítima del IMT. Dicha construcción consistió en la adecuación del canal de olas de 35 m de largo, 4.90 m de ancho y 1.20 m de profundidad (canal de olas ancho).
Fotografía 3. Trazo de las secciones en las ventanas de observación del canal de olas.
Fotografía 4. Colocación de gravilla y grava (a la escala seleccionada) para la formación del núcleo y de la capa secundaria, respectivamente, de las secciones diseñadas.
Fotografía 5. Colocación de los sensores de medición de oleaje para los ensayos en modelo hidráulico en el canal de olas.
ENSAYOS EN MODELO HIDRÁULICO DE ESTABILIDAD ESTRUCTURAL
Fotografía 6. Ensayos en modelo hidráulico de estabilidad estructural.
Conclusiones y recomendaciones Del análisis realizado a cada una de las tres secciones de rompeolas construidos en el canal angosto del laboratorio de Hidráulica Marítima del IMT, se observó que la sección construida con un porcentaje de vacíos de 68% con elementos de coraza Core loc y Xbloc es la menos estable en comparación con el elemento Cubo ranurado en la capa de coraza del rómpelas, que resultó la más estable del análisis de estabilidad estructural. Cabe señalar que las modelaciones fueron realizadas a secciones de rompeolas en condiciones de oleaje incidente en forma perpendicular a la sección, con una pendiente de fondo de 0.031 y talud de 1.5:1. Los resultados obtenidos en este estudio sirven como un marco comparativo para los casos de análisis de estructuras de protección portuaria y costera que contengan similitud con los establecidos en este estudio, sin que sean limitantes para realizar nuevos estudios de la misma índole y verificar comportamientos estructurales en particular que se presenten en un futuro. Recomendaciones: Se recomienda, en caso de ser necesario, realizar dentro de cualquier otro estudio, un análisis con pendiente distinta en la sección de rompeolas, de acuerdo al proyecto que lo requiera en turno, que permita verificar en tiempo y forma el comportamiento que pueda tener la estructura en cuestión. Referencias bibliográficas Aranda, J. (2004). Automation for the Maritime Industries. Madrid, España: Departamento de Informática y Automática UNED. pp 105-107. Consultado en https://digital.csic.es/bitstream/10261/2906/1/Maritime_Industries.pdf
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FLORES Juan Esteban |
