Obras PblicasIngeniera Civil

Hidrulica Martima

Teora de Olas

La Hidrulica Martima y de Costas trata de los fenmenos relacionados con la generacin de olas y mareas, su cuantificacin, la determinacin de sus efectos sobre la navegacin martima, la conservacin de las playas y la proteccin de las obras que se construyen en las costas.Las olas del mar son generadas por vientos, por sismos o por la accin del sol y la luna. Las producidas por sismos son olas de gran longitud de onda que se generan en mar profundo y desarrollan su poder destructor cuando alcanzan las aguas poco profundas de las costas; se conocen como Tsunamis. El sol y la luna son responsables de la formacin de las olas de marea que son eventos predecibles tanto en magnitud como en tiempo. El oleaje que se forma por la accin del viento viaja por el mar en "Trenes" que contienen olas de diferentes tamaos y perodos. La longitud del tren y las magnitudes de las olas dependen de la velocidad del viento y de la localizacin y el tamao del rea sobre la cual sopla el viento.Las olas que llegan a la costa ejercen fuerzas sobre las estructuras que encuentran en su recorrido. Estas estructuras son muros verticales, rompeolas, columnas o cuerpos sumergidos. Para determinar las magnitudes de las fuerzas es necesario conocer las caractersticas de las olas que llegan a las estructuras; estas caractersticas son Amplitud, Perodo y Direccin, las cuales se calculan teniendo en cuenta las condiciones en que se generaron las olas, las prdidas de energa en su recorrido hasta las estructuras y las modificaciones que sufren por refraccin y difraccin. Los trenes de olas se representan por medio de una ola caracterstica que se llama "Ola Significativa".Diseo de puertos en reas sometidas a mareas.

Los puertos que se construyen en la costa martima o en las desembocaduras de ros en el mar son Puertos en reas sometidas a Mareas. Estas mareas influyen en los procesos de sedimentacin de los canales de acceso, en la programacin de operacin de los puertos y en la formacin de corrientes de densidad que dificultan la navegacin. Proteccin de PlayasA lo largo de las costas la proteccin y el mantenimiento de las playas debe ser una preocupacin permanente de las autoridades. Las playas son atacadas continuamente por factores relacionados con el comportamiento del mar y cambian continuamente su morfologa si no son protegidas adecuadamente.La Estabilidad de las Playas se obtiene cuando existe un balance apropiado entre los sedimentos que llegan y los que salen de ellas. Este balance es regulado por el oleaje dominante en el rea, y por las tormentas y las mareas. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.Temas de un Curso de Hidrulica Martima:A continuacin se presenta el listado de los captulos que se desarrollan en un curso de Introduccin a la Hidrulica Martima. Se incluye adems un resumen de los temas que se tratan en los diferentes captulos.1. Presentacin.2. Teora de olas.

3. Prediccin de olas generadas por el viento.

4. Mareas.

5. Fuerzas sobre estructuras.

6. Bibliografa.PresentacinLas tres cuartas partes de la superficie del planeta tierra estn cubiertas por los ocanos, los cuales almacenan el 97.26% del total de los recursos hdricos existentes.Estas masas de agua almacenada estn sometidas al sistema general de circulacin generado por la accin de los rayos solares, la rotacin de la tierra y las caractersticas fsico-qumicas del agua salada. La circulacin general se manifiesta en forma de corrientes principalmente.Tambin influyen sobre el comportamiento de las masas de agua las acciones locales que estn reguladas por el relieve del fondo, la cercana a los continentes y las condiciones meteorolgicas. Entre estas acciones sobresalen los sismos, las mareas y los oleajes debidos al viento.Eventos naturales como los sismos inducen la formacin de unas olas conocidas como tsunamis o maremotos, los cuales han producido efectos catastrficos en diversas zonas costeras del mundo.Las magnitudes de los oleajes estn asociados con las tormentas que se originan por la velocidad y la direccin de los vientos. En las zonas de latitud media las caractersticas de los vientos son influenciadas por las fuerzas Centrpeta y de Coriolis y ocasionan la formacin de ciclones o huracanes durante algunos meses del ao.Por su parte las mareas dependen de la relacin sol-luna-tierra.

La Hidrulica Martima tiene como objetivo el anlisis y la cuantificacin de los fenmenos que se producen en las aguas martimas que tienen influencia sobre proyectos especficos de navegacin, construccin de puertos, facilidades tursticas o proteccin de playas y zonas costeras.En el curso se dan las bases para el conocimiento de la importancia que tienen las olas y las mareas dentro de los diseos de obras costeras, y se recomienda la bibliografa que ampla el conocimiento de los temas tratados.Teora de olas.Las olas son producidas por diferentes causas. Existen olas que son generadas por el viento, por las mareas, por tormentas, por oscilaciones o por terremotos. Estas ltimas se conocen como Tsunamis; son olas que alcanzan alturas considerables cuando rompen contra las costas.Para que se genere una ola se requiere que exista una fuente de energa que, al transmitir al agua en reposo una cantidad determinada de energa, produce un movimiento oscilatorio de las partculas del lquido sin que haya un transporte importante de masa. Este movimiento oscilatorio es similar al que se induce por vibracin a una cuerda que est fija por sus dos extremos. Como se ver ms adelante, la propagacin de la energa dentro de la masa de agua est relacionada estrechamente con la propagacin de las olas que se generan con esa energa.El desarrollo de la Teora de las olas se basa en la aplicacin de las ecuaciones de Navier-Stokes en el flujo de fluidos viscosos en rgimen no permanente. La teora que se trata en el texto se conoce como Teora de Stokes. Algunos autores, como Iribarren por ejemplo, prefieren la Teora Trocoidal la cual tiene un tratamiento matemtico ms complicado.Para su estudio las olas se clasifican en Olas de pequea amplitud y Olas de amplitud finita. Las primeras representan alteraciones pequeas en la superficie del agua y no ocasionan problemas notables a las estructuras que estn localizadas en alta mar o en la costa. Las olas de amplitud finita son las olas que interesan en los diseos de puertos, estructuras marinas y obras de proteccin de playas.El estudio de las olas de pequea amplitud se basa en la Teora Lineal en la forma como fue desarrollada por Stokes. Es una aplicacin simplificada de la ecuacin general del flujo no permanente. Supone que el flujo es irrotacional y utiliza solamente el primer trmino de la ecuacin de Navier-Stokes. El resultado es una Ola Sinusoidal que tiene las siguientes caractersticas:

Para el anlisis de las Olas de Amplitud Finita, Stokes aade a las ecuaciones de la Teora Lineal los trminos de orden superior de la ecuacin de Navier Stokes. A continuacin se observan las caractersticas de la Ola de Stokes de Segundo Grado:

Caractersticas de las Olas:Los tres valores que caracterizan una ola son:H = AlturaL = LongitudT = Perodo.El perodo T es una caracterstica constante de la Ola durante su existencia. La longitud L y la altura H se modifican a medida que la Ola se desplaza desde el mar hacia la costa.Se define como Mar Profundo aquel en el cual la relacin entre la Longitud de la Ola y la Profundidad del agua es mayor que 2. Cuando la Ola est en mar profundo la rugosidad del fondo no afecta su comportamiento, pero a medida que entra al mar poco profundo la Longitud de la Ola tiende a disminuir y la Altura a aumentar por efecto de la friccin de la masa de agua con el fondo.Las siguientes son las caractersticas de una Ola individual en mar profundo:d = Profundidad del agua.d / Lo > 1/2Ho = Altura de la Ola.Lo = Longitud de la Ola.T = perodo.Co = Celeridad o Velocidad de Fase = Lo / TCo = 1.56 T m/s (sistema mtrico)El mar es Medianamente profundo cuando la relacin d/L est comprendida entre 1/2 y 1/10. En este caso se tienen las siguientes relaciones:L = Lo tgh KdC = Co tgh Kdtgh Kd = tangente hiperblica de Kd, donde K es el Nmero de la Ola (K = 2 Pi / L)Cuando d/L es menor que 1/10 la profundidad del agua es muy pequea y se aceptan las siguientes aproximaciones:L = T (gd)1/2C = (gd)1/2

g = 9.81 m/s2.

Prediccin de olas generadas por el viento.Cuando el viento sopla sobre una superficie de agua se generan dentro de la masa de agua unos movimientos oscilatorios cuya magnitud depende de la velocidad, direccin y tiempo durante el cual sopla, del rea sobre la cual sopla el viento y de la profundidad del agua en dicha zona. Estos movimientos oscilatorios se visualizan en la superficie produciendo cambios en el nivel del agua y constituyen las olas generadas por el viento.Estas olas se propagan a lo largo de lneas cuyas direcciones dependen de la geometra del rea sobre la cual sopla el viento, de la direccin del viento y de la conformacin del fondo. La propagacin de las olas no se produce en forma individual sino que ellas forman trenes de olas de diferentes amplitudes y perodos.En los estudios de ingeniera que se realizan en el mar y en la costa es necesario predecir cul ser el comportamiento del oleaje durante las etapas de construccin y de operacin de las obras. La prediccin de las olas consiste en el pronstico de los valores medios y extremos de Amplitud, Perodo, Longitud y Celeridad de las olas que pueden llegar a los sitios de influencia de los proyectos.Para realizar los pronsticos existen dos metodologas, en la primera se realizan los anlisis estadsticos de las olas histricas que llegan al sitio del proyecto; la segunda utiliza mtodos empricos que tienen como referencia los estudios de investigadores de diferentes partes del mundo.Anlisis estadstico de olasPara que se pueda realizar el anlisis estadstico de las olas es necesario tener un registro de olas en el sector de inters. Desafortunadamente estos registros existen en muy pocos lugares del mundo debido a los altos costos de los equipos de registro y procesamiento de datos.Cuando se tienen los datos histricos se seleccionan los trenes de olas que han ocurrido a lo largo de varios aos, se determinan amplitudes y perodos de las olas y se aplican los mtodos estadsticos que se describen en la literatura especializada ( Longuett-Higgins, Ippen, Wiegel) para determinar la magnitud y el perodo de la Ola Significativa y de las Olas Mximas esperadas.En una serie de olas, ordenadas de mayor a menor segn su amplitud, la Ola significativa se define como el promedio de las amplitudes de las olas que estn en el tercio superior de la serie.Pronstico por mtodos empricosExisten varios mtodos que permiten tener un estimativo sobre las caractersticas de las olas que se generan en aguas profundas o en aguas poco profundas. Los mtodos se encuentran explicados en los textos de Ippen, Wiegel y en el Manual del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos.Para que estos mtodos puedan utilizarse se necesita haber procesado previamente la siguiente informacin:1. Determinacin del FETCH. Es el rea sobre la cual sopla el viento.2. Profundidad del agua en el Fetch.3. Magnitudes, direcciones y duraciones de los vientos que soplan sobre el Fetch.4. Distancia del Fetch a la costa.5. Batimetra en la zona de mar poco profundo y en la costa.7. Magnitudes de ciclones.Los mtodos empricos producen como resultado Amplitud, Perodo y direccin de la Ola Significativa en el sitio de salida del fetch. A partir de ese punto la ola se propaga hacia la costa y en su recorrido sus caractersticas se modifican debido a tres causas:Gasto de energa. Como en este tramo la ola se propaga sin ayuda del viento entonces comienza a gastar la energa que tena a la salida del Fetch. Cuando la energa inicial es poca y el tramo que recorre la ola es largo, la ola puede desaparecer.Refraccin Cuando el Fetch es rectangular y est localizado en Mar Profundo los frentes de onda que salen del Fetch son rectos y se propagan en forma paralela, siguiendo la direccin del viento.

Cuando el Fetch no es rectangular, o no est en aguas profundas, o es mvil como en el caso de un cicln, deben utilizarse procedimientos particulares para determinar la geometra de los frentes de onda que salen del Fetch.A medida que los frentes de onda se dirigen hacia la costa van entrando en zonas de Mar Medianamente Profundo y de Mar Poco Profundo. En estas zonas las irregularidades del fondo afectan las velocidades de las olas.Cuando la profundidad del agua a lo largo de un frente de ola no es constante existen partes de este frente que viajan ms rpido; en estas condiciones se presenta el fenmeno de Refraccin por medio del cual el frente de ola deja de ser recto y se modifica de acuerdo con la configuracin de los contornos geomtricos del fondo. Tambin se modifican la amplitud y la longitud de la ola.Si Ho es la amplitud de la onda que sale del fetch, y H es la amplitud de la onda que llega a la costa, entonces se tiene la siguiente relacin:H = Ho . Kr . Kfdonde:Kr es el coeficiente de refraccin.Kf es el coeficiente de prdida de energa entre el Fetch y la costa.Difraccin. La difraccin se analiza con los mismos principios de difraccin de la luz y el sonido. De acuerdo con el Principio de Huygens cada punto de un frente de ondas puede considerarse como una fuente de nuevas olas. Este fenmeno puede producir aumentos importantes en las amplitudes de las olas que entran a los puertos.Si H es la amplitud de la ola, inmediatamente antes de entrar al puerto y Hi es la amplitud de la ola en un sitio determinado dentro del puerto, entonces el coeficiente de Difraccin, Ki es: Ki = Hi / HEl coeficiente Ki puede ser mayor que 1 en algunos sitios dentro del puerto y menor que 1 en otros.En los libros de referencia hay tratamientos muy completos de los coeficientes de Refraccin y de Difraccin, con ejemplos y grficos.

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