TEMA IV OBRAS DE DEFENSA Y ABRIGO

OBJETIVO: Diseñar obras de protección y canales de acceso.

FUNCIÓN Y CLASIFIACACION DE LAS OBRAS DE PROTECCIÓN.

Las obras de abrigo de instalaciones portuarias y obras de defensa rígidas como revestimientos y muros  tienen siempre asociadas determinadas actividades en su trasdós incompatibles con la existencia de flujos  de mar sobre las mismas, por lo que suelen ser diseñadas para condiciones de muy poca o nula  rebasabilidad de oleaje. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, asegurar tal condición es  prácticamente imposible dada la aleatoriedad del fenómeno que lo produce: el oleaje. Por ello, a menudo  se aborda el problema en términos de probabilidad de ocurrencia del evento. La probabilidad de no  excedencia para un volumen dado de rebase es otra forma de intentar prever dicho fenómeno,  consiguiendo un criterio inicial para el diseño de la estructura marítima.

El rebase del oleaje sobre un dique vertical se puede interpretar como el caudal medio del agua que  sobrepasa la estructura durante una tormenta o bien como el volumen individual de rebase que produce un  único evento ocasionando dicho fenómeno. Existen diversas aproximaciones al cálculo del rebase, aunque  en la mayoría de casos suele expresarse en función de parámetros relacionados con la hidrodinámica  existente y tipo de estructuras a evaluar. En esta tesina se define cada uno de ellos y se específica el tipo  de adimensionalización utilizada por cada autor.

Durante los meses de Febrero a Julio del 2001 se realizaron una serie de ensayos en el canal de oleaje

“CIEM” (Canal de Investigación y Experimentación Marítima) de la UPC bajo el marco del proyecto  europeo “VOWS” (Violent Overtopping by Waves at Seawalls), cuyo objetivo principal era el estudio del  fenómeno del rebase sobre paramentos verticales o cuasi verticales.

El trabajo principal que se ha llevado a cabo en esta  tesina ha sido el análisis comparativo entre los  resultados del modelo físico con las aproximaciones existentes. Concretamente, se ha realizado la comparación con las aproximaciones de W. Allsop y C. Franco, puesto que son las más usadas hoy por  hoy en la predicción del rebase en el campo de la ingeniería marítima.

En el presente trabajo se ha abordado el fenómeno del rebase de muy distintas formas. A continuación se  presentan las distintas formas de calcular el rebase: como caudal de rebase, como volumen individual de  rebase y como porcentaje de olas que producen rebase. Para cada autor se detalla la formulación  empleada para el cálculo del fenómeno del rebase  del oleaje así como el proceso de obtención de  resultados y sus propias limitaciones. En esta parte de la tesina se incluyen comentarios que valoran la  solidez de los diferentes argumentos utilizados por los autores, de forma que se intenta hacer una preselección de las formulaciones más convincentes y  con las cuales se hace más adelante un estudio   sobre su validez.

Sin embargo, existen también otros factores más complicados de estudiar y que también influyen sobre el  rebase. Se trata del viento y de la presencia de una berma de pie. En esta tesina se han despreciado para el  estudio dichos elementos, dado que se considera casi nulo el efecto del viento sobre el rebase; y sólo se ha  estudiado el comportamiento del rebase sobre diques verticales.

Cada factor se ha estudiado por separado explicando de qué manera han sido tratados y se incluyen, así  mismo las principales conclusiones que cada autor hace de su propio estudio. Dichas conclusiones se  contrastan, en forma de resultados, con comentarios personales que tratan de enriquecer la comprensión  del fenómeno del rebase tratando de enfatizar aquellos aspectos que consideramos tienen un cierto error  asociado.

Tras la revisión de los estudios que se han realizado por parte de los autores que se han considerado más  adecuados para realizar dicha tesina (los más conocidos o utilizados hasta la fecha) se presenta un capítulo dedicado a tratar de explicar la influencia de los principales parámetros sobre el rebase a través  de la exposición de las diferentes conclusiones y autocríticas que los autores hacen de sí mismos.

Las conclusiones finales intentan discernir sobre una mejora en la formulación  de los autores que se han  escogido para comparar sus resultados con los obtenidos de forma experimental en el canal de oleaje

CIEM durante los ensayos realizados para el proyecto VOWS. Uno de los puntos más relevantes que se  ponen al descubierto en esta tesina es la sobrevaloración que se obtiene de los valores de rebase en las diferentes formulaciones comparadas, lo que nos indica que es necesario realizar

Una serie de cambios en  dichas formulaciones para mejorarlas.

Clasificación

·         Obras de abrigo

·         Obras de defensa

Obras de abrigo

El abrigo necesario para los puertos a de conseguir mediante unas obras que impidan la acción del mar salvo en los casos de que se trate de puertos naturales y que al mismo tiempo cumpla con las condiciones necesarias en la entrada evolución y giro y que deja abrigada suficiente de acuerdo con su trazo en planta en los siguientes tipos principales:

·         Obras de protección para lelas a la costa

·         Obras de protección convergentes

·         Obras de protección paralelas entre si

·         Dique vertical reflejante

Obras de protección para leles a la costa

Esta solución suele usarse en puertos exteriores ganados al mar no muy alejado de la costa o bien cuando se disponga de terreno tierra a dentro o como también puede estar aislada de la costa.

Obras de protección convergente

Este tipo es muy utilizado en busca de calado necesario para la boca de entrada en este caso se debe tener cuidado con las áreas disponibles ya que el puerto quedara comprendido entre las obras.

Obras de protección paralelas entre si

Se usa esta disposición de diques en los puertos creados avanzados sobre tierra o bien en la desembocadura de ríos navegables que ofrecen muchos inconvenientes como malas condiciones a la navegación y penetración a la agitación.

Dique vertical reflejante

El empleo de este tipo de diques es menos común que el rompeolas ala talud mencionado anteriormente por las condiciones especiales de cimentación y profundidad debido a esta ultima ser mayor de dos veces la altura para evitar que las olas rompan contra ellos estos diques son construidos por gravedad, cajones de concreto que se llevan flotando hasta el sitio de colocación en donde se une y se rellena con arena.

Tiene la ventaja de no requerir con conteras en las a proximidades y la relativa rapidez de construcción pueden además utilizarse como atracaderos y que presentan paralelos verticales aunque sus anchos no permitan que sobre la corona se realicen operaciones de carga general.

         

  

Obras de defensa

Es evidente la ventaja de las defensas pues pro ser elementos más deformables en comparación con las estructuras adsorben energía con mayor desplazamiento y menor fuerza, prácticamente se tiene los siguientes tipos de defensa.

·         Obras de defensa fijas

·         Obras de defensa colgantes

·         Obras de defensa por pilotes

·         Obras de defensa por gravedad

Obras de defensa fijas

Elementos flexibles fijos en la pantalla de atraque adsorben energía al deformarse durante el impacto las más comunes consisten en grandes masas de hule.

Obras de defensa colgantes

Pueden estar construidas por piezas colgantes de hule, pantallas de madera o una combinación de ambas.

Obras de defensa por pilotes 

Es el más aspectado para adsorber energía de una forma sencilla y económica en general sobre los pilotes se apoyan una pantalla de madera y estos a su vez se apoyan en sus cabezas sobre elementos como bloques de hule, casi siempre se prefiere utilizar pilotes de madera.

Obras de defensa por gravedad

Podrían incluirse en el tipo colgante y en general son defensas que adsorben energía al incrementar la energía potencial de la masa y vencer la fricción, existen varios sistemas de este tipo que en los últimos años han demostrado gran efectividad principalmente para el atraque de grandes embarcaciones.

  

DISEÑO DE ROMPEOLAS

El objetivo de la construcción de un rompeolas es establecer una zona de mar en calma en la que las embarcaciones se puedan amarrar con seguridad durante períodos meteorológicos adversos. Es, por lo tanto, importante para la comunidad local que el rompeolas sea capaz de soportar el impacto de las olas normalmente propias de la zona. La no consecución de estos objetivos en situaciones normales (sin contar el efecto de tormentas extraordinariamente fuertes) podría provocar daños considerables a la flota pesquera. Para evitar que esto suceda se deberán tomar todo tipo de precauciones al construir un rompeolas a nivel artesanal con muy poca o ninguna ayuda o supervisión por parte del ministerio de obras públicas. De hecho, en litorales rocosos, no se debería intentar construir rompeolas en profundidades superiores a los 3 m sin contar con asistencia técnica, debido a la compleja naturaleza de las olas en aguas más profundas. Por otra parte, en las costas arenosas siempre debe recabarse el asesoramiento de expertos, cualquiera que sea la profundidad del agua.

Figura 30
Sección transversal tipica de un rompeolas de escollera.

El rompeolas típico consiste en una cresta de piedra basta, también llamada núcleo, cubierta o protegida por recubrimientos o capas de piedras más pesadas (Figura 30).

El núcleo. Normalmente éste consiste en desechos de cantera sin las partículas finas (polvo y arena) vertidos en un montón en el mar por medio de un camión volquete. Para facilitar el vertido por medio de un camión, el núcleo debe tener preferiblemente una anchura de 4 a 5 m en su extremo superior y encontrarse a una altura aproximada de 0,5 m por encima del nivel medio del mar o, cuando hubiera una gran amplitud de mareas, por encima del nivel de pleamar en marea viva (Figuras 31a a 31c). El extremo superior del núcleo se deberá mantener nivelado y uniforme por medio de una máquina explanadora a fin de permitir que los camiones volquete puedan viajar a lo largo de todo el rompeolas. Cuando se echa al agua, el núcleo de escollera queda descansando con una pendiente aproximada de 1 a 1, lo que quiere decir que su nivel desciende en 1 m por cada metro que avanza. Dado el poco peso de la escollera en el núcleo, todo el trabajo de construcción relacionado con rompeolas deberá efectuarse durante las estaciones de más calma.

En el Capítulo 4 se describe detalladamente el tipo de roca adecuado para un rompeolas de escollera.

La primera capa inferior. La primera capa inferior de piedra que protege el núcleo de escollera para impedir que sea arrastrado normalmente consiste en piezas sueltas de piedra cuyo peso varía entre un mínimo de 500 kg hasta un máximo de 1 000 kg (Figuras 32a a 32c).

Estas piezas se depositan normalmente en dos capas como mínimo con una pendiente que es generalmente menos acusada que la del núcleo, 2,5/1 en la pendiente exterior y 1,5/1 en la pendiente interior. Una pendiente de 2,5/1 quiere decir que el nivel desciende 1 m por cada 2,5 m de avance. La primera capa de piedra puede ser colocada con una excavadora hidráulica, como se muestra en las Figuras 32b y 32c. También se puede utilizar una grúa normal si hay espacio para las patas de apoyo; no se deben utilizar las grúas con ruedas de goma en ningún momento sobre un núcleo desnivelado sin que sus patas de apoyo se encuentren en la posición extendida.

La excavadora debe colocar la piedra más pesada tan rápido como sea posible sin dejar demasiado núcleo de escollera expuesto a la acción de las olas. Si llegara una tormenta al lugar con demasiado núcleo expuesto, existe el grave peligro de que el núcleo sea arrastrado y distribuido por las olas en toda la zona de construcción del puerto.

La Figura 32a muestra la distribución de un perfil de piedra determinado, en este caso con una pendiente de 2,5/1: la distancia H es la altura de la parte superior de la nueva capa descendente por encima del nivel del fondo del mar. Sería conveniente colocar una pértiga de madera en la punta del núcleo subyacente y fijarla en su sitio con mortero. Se debería colocar una plomada pesada de piedra en el fondo del mar con una boya marcadora a una distancia igual a 2,5 x H. Posteriormente se debería llevar una cuerda de nilón de un color fuerte desde la plomada a la altura requerida de la pértiga. Este procedimiento debe repetirse cada 5 m a fin de ayudar al operador de la grúa o de la excavadora a colocar la capa superior. Un nadador equipado con gafas de buceo debe asegurarse de que cada una de las piedras sueltas quede colocada dentro del perfil señalado.

La capa principal de protección. La capa principal de protección, como su propio nombre indica, constituye la defensa principal del rompeolas a la embestida de las olas. La existencia de cualquier tipo de defecto en la calidad de la roca (Capítulo 4), graduación (tamaño demasiado pequeño) o colocación (pendiente desnivelada o demasiado acusada) pondría a todo el rompeolas en grave peligro. Por esto se deberá tener mucho cuidado al seleccionar y colocar las piedras correspondientes a la capa principal de protección.

Figura 31
Colocación del núcleo de la escollera.

Figura 32
Colocación de la capa inferior.

La Figura 33 muestra la colocación de piedras de protección principal por medio de una grúa sobre orugas, que es el mejor equipo para la colocación de piedras de gran tamaño. Estas piedras grandes se deben izar una a una utilizando una eslinga o valvas mordientes y colocar en el agua con la ayuda de un submarinista o de una embarcación con tripulación equipada con un tubo con un cristal tapando uno de sus extremos. La capa de protección se debe colocar piedra a piedra en una secuencia que asegure su interconexión; en la Figura 33, por ejemplo, la piedra número 2 es mantenida en su sitio entre las piedras 1 y 3, mientras que la piedra 4 está bloqueada entre las piedras 3 y 5.

Figura 33
Colocación de la capa principal de protección.

Se asegura así que una ola no pueda arrancar una de las piedras y hacer que las que están encima caigan por la pendiente, rompiendo la capa de protección y exponiendo la escollera más pequeña que hay debajo. Para asegurar la correcta colocación de las piedras, el submarinista o ayudante en la embarcación debe dirigir al operador de la grúa cada vez que se coloca una nueva piedra hasta que la capa de piedras sobrepase la superficie del agua. Al igual que con la primera capa inferior, se necesitan dos capas de piedras de protección para completar la capa principal de protección. Se deben establecer perfiles de pendiente a intervalos regulares de 5 m utilizando el mismo procedimiento anteriormente descrito en la Figura 32.

Figura 34a
Excavadora hidráulica colocando la escollera sobre la cresta.

Las Figuras 34a y 34b muestran la forma en que se cierra capa a capa el rompeolas ya casi terminado. Muestra la excavadora retrocediendo al principio del rompeolas cerrando las capas superiores simultáneamente. El final o cabezal del rompeolas es la parte más delicada del mismo y requiere un mayor cuidado. Se deberá aumentar la pendiente exterior de 2.5/1 a 3/1 a fin de mejorar la estabilidad.

Otros tipos de rompeolas. El tipo de rompeolas que se acaba de describir se conoce como un rompeolas de escollera debido a que consiste en escollera colocada de forma especial. Este tipo de rompeolas se adapta muy bien a casi todas las condiciones, especialmente a una profundidad variable del fondo del mar; también puede resistir a algunos daños causados por tormentas sin que se rompa del todo.

Figura 34b
La misma máquina dando marcha atrás y cerrando la cresta al mismo tiempo.

Un rompeolas de escollera no es siempre adecuado (Figura 35a). En este caso ya existe un arrecife rocoso (no de coral), por lo que la solución ideal consistiría en elevar su nivel lo suficiente para impedir que las olas rompientes sobrepasen el arrecife y afecten a las embarcaciones amarradas detrás del mismo. Como ya se ha señalado, se debe construir un rompeolas sólido y bien anclado sobre el crespón rocoso. Si el arrecife es de coral vivo, entonces el rompeolas se debería construir entre el arrecife y la orilla si hay espacio suficiente, nunca cerca del coral.

La Figura 35b muestra un rebaje cortado en el arrecife y un muro sólido construido con sacos de yute rellenos de hormigón y colocados en su sitio. Una vez se ha curado el hormigón, unas 24 horas más tarde, se deberá aplicar un recubrimiento in situ alrededor de los sacos a fin de formar un muro con una terminación regular. Alternativamente se deberá construir un sólido muro de hormigón armado como se muestra en la Figura 35c. En este caso se asume que se dispone de un compresor y una taladradora neumática en obra para taladrar orificios de anclaje en el arrecife a intervalos de aproximadamente medio metro. Seguidamente se deberá fijar el refuerzo en los orificios taladrados utilizando una mezcla de mortero muy seco.

Figura 35a
Mejora de la dásena

Figura 35b
Construcción de un muro más alto con sacos de yute rellenos de hormigón y recubiertos.

Figura 35c
Construcción de un muro más alto en hormigón armado anclado a un arrecife rocoso.

DISEÑO DE MUROS VERTICALES

Concepto de dique vertical convencional.

Podemos definir un dique de paramento vertical convencional como un monolito rígido, de pared impermeable, de comportamiento gravitatorio (basa la estabilidad en el peso) y que se caracteriza por reflejar prácticamente el total de la energía del oleaje, sin intentar variar su comportamiento, ni laminarla por transmisión o disipación del impacto devolviendo como una pared rígida la acción de trenes sucesivos de olas representado por su altura de ola máxima incidente.

Partes de un dique vertical convencional.

Los elementos principales de un dique vertical son los que siguen:

1. Banqueta de cimentación con su correspondiente enrase de grava.

2. Berma de protección del dique.

3. Bloque de guarda anti-socavación, pudiendo estar embebido en la berma delantera de protección.

4. Monolito (cajón o tipología especial)

5. Espaldón, con sus múltiples soluciones estructurales, funcionales e hidráulicas para minimizar el rebase cuando la función es de diquemuelle.

Modos de fallo de un dique vertical.

De acuerdo con los elementos de diseño de un dique vertical, es posible distinguir los siguientes modos de fallo principales:

1. Modo de fallo instantáneo por acción de la ola máxima sobre el monolito. Fallo estructural por deslizamiento, vuelco o hundimiento.

2. Modo de fallo instantáneo por acción de la ola máxima sobre el espaldón.

Fallo estructural por deslizamiento, vuelco o hundimiento.

3. Modo de fallo operacional hidráulico por rebase sobre el espaldón.

4. Modo de fallo operacional hidráulico de reflexión por agitación interior en antepuerto, canal de enfilación y dársenas interiores.

5. Modo de fallo flexible por deformación acumulativa y colapso del cimiento.

6. Modo de fallo deformable por socavación acumulativa en berma.

7. Modo de fallo en berma por cota elevada de la misma, funcionando como dique horizontal compuesto.

8. Modo de fallo por hincamiento del monolito sobre la cimentación de apoyo.

9. Erosión en las esquinas de contacto cajón – cimentación.Capítulo 3. Aproximación a los diques verticales. Interacción oleaje-estructura.

10. Exceso de presión de apoyo.

11. Fallo global a corto o largo plazo de la cimentación.

12. Otros modos de fallo derivados e interconectados de los anteriores.

EVOLUCIÓN PLAYERA POR CONSTRUCCIÓN DE OBRAS

Estudiar la evolución  del  borde costero tanto en condiciones naturales como baja la influencia de obras costeras suponen analizar los procesos que ocurren  en la zona de confluencia de tres medios aire, mar y tierra este hecho origina que esta zona se ve sometida a grandes solicitaciones energéticas de origen u contenido energético diverso por lo que el aspecto teórico del movimiento de las cosas se abarcaría varias frecuencias a diferentes agentes impulsores.

 

·         Cambio a largo plazo

·         Cambio a medio plazo

·         Cambio a corto plazo

DIMENSIONAMIENTO DE CANALES DE NAVEGACIÓN

Los canales de navegación de preferencia deberán ser rectos los de acceso tendera a ser normal a la costa o paralelos a la dirección predominante de los temporales.

Los canales de navegación interiores tendrán un cambión de dirección la curva entre dos tangentes no será mayor de 30° lo que equivale a un radio de  5E lo recomendable por seguridad para barcos mayores de 30,000 TPM es de un radio de 10E el ancho de la plantilla en las curvas del canal se aumentara un 30% respecto a la parte recta.

La determinación de la profundidad en el anterior del puerto depende fundamentalmente del canal de carga del barco, la densidad del agua u en menor magnitud de altura del laula y el asentamiento del barco ya que la velocidad tiende a cero.

Para la navegación de canales interiores debemos tomar en cuenta la densidad del agua dulce la cual aumenta en calada aproximadamente 3% dado que la embarcación de la entrada cruza la bocana a 5 ó 8 nudos de velocidad la distancia de frenado en el orden de los 5E contadas a partir que la popa del barco está en zona protegida por los rompeolas.