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Diseño y construcción de obras de abrigo en talud

Introducción al estudio de mareas, olas y transporte de sedimentos

Hugo Juan Donini Ingeniero Civil e Hidráulico

Investigador y Docente de las Cátedras de Puertos y Vías Navegables, Hormigón I, Hormigón II y Programación Básica y Métodos Numéricos de la Carrera de

Ingeniería Civil de la UNPSJB (Sede Trelew)

Miembro Plenario de la Asociación de Ingenieros Estructurales

Donini, Hugo Diseño y construcción de obras de abrigo en talud : introducción al estudio de mareas, olas y transporte de sedimentos / Hugo Donini. - 1a ed . - Ciudad Autónoma de Buenos Aires : Diseño, 2016. 344 p. ; 24 x 17 cm. ISBN 978-987-4000-51-4 1. Ingeniería Portuaria y Costera. 2. Construcción. 3. Transporte. I. Título. CDD 627.3

Hecho el depósito que marca la ley 11.723 Impreso en Argentina / Printed in Argentina La reproducción total o parcial de este libro, en cualquier forma que sea, idéntica o modificada, no autorizada por los editores, viola derechos reservados; cualquier utilización debe ser previamente solicitada. © 2016 de la edición, Diseño Editorial ISBN 978-987-4000-51-4 Julio de 2016 Este libro fue impreso bajo demanda, mediante tecnología digital Xerox en bibliográfika de Voros S. A. Bucarelli 1160, Capital. [email protected] / www.bibliografika.com En venta: LIBRERÍA TÉCNICA CP67 Florida 683 - Local 18 - C1005AAM Buenos Aires - Argentina Tel: 54 11 4314-6303 - Fax: 4314-7135 - E-mail: [email protected] - www.cp67.com FADU - Ciudad Universitaria Pabellón 3 - Planta Baja - C1428BFA Buenos Aires -Argentina Tel: 54 11 4786-7244 CMD - Centro Metropolitano de Diseño Algarrobo 1041 - C1273AEB Buenos Aires – Argentina Tel: 54 11 4126-2950, int. 3325

Índice 1

ÍNDICE

Índice ........................................................................................................................1

Agradecimientos .....................................................................................................7

Prólogo .....................................................................................................................8

Capítulo 1. Introducción .........................................................................................9

Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo ...............................................12

Obras de abrigo paralelas a la costa.......................................................................12

Obras de abrigo convergentes ................................................................................12

Obras de abrigo paralelas entre sí ..........................................................................13

Obras de abrigo en talud.........................................................................................14

Obras de abrigo verticales.......................................................................................14

Obras de abrigo mixtas ...........................................................................................15

Obras de abrigo sumergidas ...................................................................................16

Otras ........................................................................................................................17

Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo .............19

Criterios a seguir en la selección del tipo de obra de abrigo ..................................19

1) Características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de emplazamiento

de la obra.................................................................................................................20

a) Características físicas .........................................................................................20 Trazado....................................................................................................................22

b) Características hidráulicas ..................................................................................24

b.1) Modelaciones ...................................................................................................25

c) Características ambientales ................................................................................31

2) Materiales, equipos y mano de obra disponibles................................................33

3) Procedimientos constructivos .............................................................................35

4) Operación portuaria.............................................................................................36

Índice 2

5) El espacio litoral: aspectos sociales, culturales y turísticos................................38

6) Actividades asociadas al hinterland y foreland ...................................................39

Las obras y su incidencia en el espacio litoral ........................................................40

Capítulo 4. Mareas astronómicas ........................................................................42

Introducción .............................................................................................................42

Mareas astronómicas ..............................................................................................42

Edad de la marea ....................................................................................................46 Líneas cotidales y puntos anfidrómicos ..................................................................46 Mareas meteorológicas ...........................................................................................46 Régimen fluvio - marítimo........................................................................................47

Clases de mareas....................................................................................................47

Predicción de la marea............................................................................................49

Método de la Tabla A ..............................................................................................51

Capítulo 5. Teorías, generación y propagación de olas....................................55

Introducción .............................................................................................................55

Ondas ......................................................................................................................57

Principales teorías de olas ......................................................................................57

Teoría Lineal o de Airy [5] [32].....................................................................................58 Teoría Cnoidal .........................................................................................................74 Teoría de Onda Solitaria .........................................................................................78 Teoría de Onda Estacionaria ..................................................................................81 Teoría de Stokes [67].................................................................................................82

Ámbitos de aplicación de las teorías del oleaje ......................................................82

Generación y transformación de las olas ................................................................84

Decaimiento de las olas ..........................................................................................85

Métodos de predicción del oleaje............................................................................86

Refracción ...............................................................................................................91

Difracción.................................................................................................................94

Índice 3

Reflexión............................................................................................................... 100

Rotura de las olas................................................................................................. 101

Rotura de la ola sobre el talud de una estructura ................................................ 104

Capítulo 6. Transporte de sedimentos ............................................................. 108

Nociones de dinámica litoral ................................................................................ 108

Balance de sedimentos ........................................................................................ 113

Cuantificación de la capacidad de transporte sólido longshore........................... 115

Transporte paralelo a la costa (longshore transport) ........................................... 115

Parámetro de tasa de transporte (K).................................................................... 117

Expresión de Bailard (1984) [6] [33] ......................................................................... 117 Expresión de del Valle, Medina y Losada (1993) [29] [33]........................................ 117 Ecuación del Coastal Engineering Research Center (C.E.R.C.) [63]..................... 119

Velocidad de caída de los sedimentos................................................................. 123

Expresión aproximada de Hallermeier [39]............................................................. 125

Clasificación morfológica de las playas................................................................ 126

Predictores morfodinámicos................................................................................. 137

Parámetros que no incluyen la pendiente de la playa ......................................... 137 Parámetros que incluyen la pendiente de la playa .............................................. 137 Criterios de Kraus, Larson y Kriebel [50] ................................................................ 137 Parámetro de Dalrymple [19] .................................................................................. 140 Parámetro de Sunamura y Horikawa [68]............................................................... 141 Parámetro de Hattori y Kawamata [40]................................................................... 142 Parámetro de Sayao y Graham [62] ....................................................................... 142 Parámetro de Jiménez y Sánchez-Arcilla [47] [48] ................................................... 142

Perfil de equilibrio de las playas........................................................................... 145

Capítulo 7. Obras de abrigo en talud................................................................ 154

Introducción .......................................................................................................... 154

Ventajas de las obras de abrigo en talud............................................................. 155

Datos necesarios para el diseño de una obra de abrigo en talud........................ 156

Índice 4

Criterios de diseño................................................................................................ 158

Modos de falla típicos de una obra de abrigo en talud ........................................ 160

Interacción con el oleaje de una obra de abrigo en talud .................................... 161

Run-up en pendientes impermeables .................................................................. 162 Run-up en pendientes permeables ...................................................................... 165

Capítulo 8. Expresiones de cálculo más relevantes....................................... 170

Ecuación de Iribarren (1938, 1950, 1953, 1954 y 1965) [44] [45]............................. 170

Ecuación de Hudson (1958) (1959) (1974) [41] [42] [43] ............................................ 173

Coeficientes de capa K y porosidades P ............................................................ 176 Criterio de daño aplicado a la expresión de Hudson ........................................... 176

Ecuación de Van der Meer para corazas de rocas en condiciones de aguas

profundas (1987) [75].............................................................................................. 177

Nivel de daño S .................................................................................................... 180

Ecuaciones de Iribarren y Hudson en función del número de estabilidad ........... 181

Comparación de las expresiones de Hudson y Van der Meer............................. 181

Ecuación de Van der Meer para corazas de rocas en condiciones de de aguas

poco profundas según Van Gent et al. (2004) [77]................................................. 189

Ecuación de estabilidad considerando la permeabilidad del núcleo según Van Gent

et al. (2004) [77] ...................................................................................................... 193

Ámbito de aplicación de las ecuaciones de estabilidad para rocas..................... 194

Corazas con elementos premoldeados................................................................ 196

Cubos ................................................................................................................... 200 Tetrápodos ........................................................................................................... 200 Accropode........................................................................................................... 200 Ecopode.............................................................................................................. 205 Accropode II........................................................................................................ 205 Core-LocTM............................................................................................................ 206 X-bloc [26] ............................................................................................................. 207

Consideraciones referidas al cálculo de elementos premoldeados de hormigón [31]

.............................................................................................................................. 212

Índice 5

Capítulo 9. Diseño de la sección ...................................................................... 229

Obras de abrigo con coraza de rocas .................................................................. 229

Obras de abrigo con corazas de elementos premoldeados................................. 235

El extremo de la obra de abrigo como área crítica de diseño.............................. 235

Capítulo 10. Bermas y pies de filtro ................................................................. 245

Características y funciones .................................................................................. 245

Expresiones de cálculo......................................................................................... 247

Configuraciones típicas de pies de filtro............................................................... 250

Capítulo 11. Viaductos de hormigón armado.................................................. 254

Introducción .......................................................................................................... 254

Fuerzas actuantes sobre espaldones .................................................................. 255

Fuerzas generadas por el oleaje.......................................................................... 256 Acción de la coraza .............................................................................................. 259 Verificación al deslizamiento y el volcamiento ..................................................... 260

Capítulo 12. Recomendaciones en la construcción y uso de las obras de

abrigo en talud – experiencias en la Provincia del Chubut ........................... 264

Introducción .......................................................................................................... 264

Obras ejecutadas y proyectos de obras de abrigo en la provincia del Chubut.... 264

Conclusión Puerto de Comodoro Rivadavia – Iº Etapa........................................ 264 Remodelación Puerto Rawson – Iº Etapa ............................................................ 266 Defensas Costeras Rada Tilly .............................................................................. 269 Reparación del Muelle de Camarones ................................................................. 272 Dársena Deportiva en Punta Cuevas – Puerto Madryn ....................................... 273

Recomendaciones para la construcción de obras de abrigo en talud – algunas

experiencias en la Provincia del Chubut .............................................................. 275

Tareas previas...................................................................................................... 275 Rocas extraídas de cantera ................................................................................. 297 Elementos premoldeados de hormigón para coraza ........................................... 299 Pie de filtro............................................................................................................ 305 Aspectos constructivos de los viaductos de hormigón armado ........................... 305

Índice 6

Monitoreos e inspecciones................................................................................... 315 Etapa de uso ........................................................................................................ 317

Simbología .......................................................................................................... 320

Índice de tablas................................................................................................... 324

Índice de ejemplos ............................................................................................. 327

Referencias ......................................................................................................... 329

Agradecimientos 7

AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar un especial agradecimiento al Ing. Ricardo del Valle, quien ha

efectuado importantes aportes a este libro y ha sido durante su vida un formador

de alumnos y profesionales en el área portuaria. Sin sus conceptos como profesor

y colega, este libro no hubiera sido posible.

También deseo agradecer al Coordinador General del Programa ROM Francisco

J. González Portal por el permiso de duplicación de los contenidos de la Norma

ROM 1.0-09 Recomendaciones de diseño y ejecución de obras de abrigo.

También al XBloc Manager y Senior Coastal Engineer Pieter Bakker, a las

autoridades del Department of the Army. U.S. Army Corps of Engineers, a la CIRIA

Editor Clare Drake, a J. W. Van der Meer por su importante material y a todos

aquellos que de una manera u otra colaboraron con este libro.

Por último, un agradecimiento especial a mi familia, por su paciencia y tiempo.

Prólogo 8

PRÓLOGO

El presente texto tiene como principal objetivo suplir la demanda de bibliografía

específica relacionada con obras de abrigo en talud, así como de contenidos

temáticos afines a la ingeniería portuaria. En él se exponen los conceptos teóricos

básicos del oleaje como principal parámetro que define su proyecto, así como las

ecuaciones que permiten calcular sus elementos constituyentes. En el texto se

trasladan algunas de las experiencias en obras de este tipo, acompañadas de una

serie de recomendaciones constructivas. Sus doce capítulos han sido ilustrados

con más de 200 figuras e imágenes, acompañadas de 50 tablas y 30 ejemplos de

aplicación de los conceptos desarrollados. Contó en su elaboración con aportes

del Ing. Ricardo del Valle, a quien tengo el honor y orgullo de acompañar en la

Cátedra de Puertos y Vías Navegables de la Universidad Nacional de la Patagonia

San Juan Bosco.

Es el deseo que este libro sea una contribución y un objeto de consulta para

aquellos a los que interesa la Ingeniería y comparten la pasión por el mar y las

obras marítimas.

Hugo Donini

Marzo de 2016

Obras de abrigo en talud 9

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

Una obra de abrigo tiene como principal objetivo el control de las variaciones del

nivel del mar de tal forma de generar áreas abrigadas que permitan efectuar las

operaciones portuarias previstas y con los niveles de seguridad requeridos. Una

obra de abrigo debe ofrecer:

Disminución de la agitación interior a valores admisibles, para el tipo de

operación proyectado.

Un recinto de dimensiones adecuadas.

Un ingreso seguro de los buques a través de su boca de acceso.

Asimismo, la obra de abrigo debe evitar alteraciones en el transporte de

sedimentos que afecten al puerto1, a otras zonas del espacio litoral, o bien, que

generen un costo de mantenimiento excesivo.

Las principales variaciones en el nivel del mar que deben considerarse en el

proyecto de una obra de abrigo son:

Ondas de corto período (olas generadas por el viento).

Ondas de mediano y largo período (seiches2 y mareas).

Ondas provocadas por fenómenos sísmicos.

Corrientes.

Efectos causados por la erosión y/o sedimentación costeras.

1 Lugar natural o construido en la costa o en las orillas de un río defendido de los vientos y

dispuesto para detenerse embarcaciones y para realizar las operaciones de carga y

descarga de mercancías, embarque y descargue de pasajeros. 2 Onda estacionaria generada en cuerpos de agua parcialmente limitados o encerrados y de

naturaleza resonante.

Capítulo 1. Introducción 10

De los fenómenos enumerados anteriormente, las olas resultan ser las más

nocivas por la elevada energía que poseen. Como uno de los tantos efectos de las

olas, su acción sobre un buque amarrado genera movimientos que limitan o

impiden las operaciones de carga y descarga y que también pueden afectar su

integridad.

Para iniciar el proyecto de un área de abrigo es necesario determinar las

características físicas de la zona de emplazamiento. Esto se logra mediante

relevamientos que deben brindar como mínimo, la siguiente información:

Olas:

a) Alturas, períodos y longitudes.

b) Direcciones correlacionadas.

c) Frecuencias correlacionadas.

Corrientes:

a) Intensidades.

b) Direcciones.

Mareas: niveles máximos, mínimos y medios.

Seiches: alturas y períodos.

Ondas por sismos: alturas y frecuencias.

Conformación del fondo: profundidades y pendientes.

Suelos:

a) Características físicas

b) Capacidad portante

Transporte de sedimentos (longshore y crosshore)

Área de emplazamiento:

a) Área de muelles.

b) Zona de maniobras.

c) Fondeaderos interiores.

Altura de ola admisible:

a) Tipo y tamaño del buque por mercadería que transporta.

b) Tipo de mercadería que transporta.


c) Modalidad de carga y descarga.

Disponibilidad de materiales constructivos.

Disponibilidad de instalaciones y equipos de construcción.

Características de la mano de obra necesaria y disponible.

En cuanto al diseño, todo proyecto de una estructura de abrigo (Figura 1)

responde, en general, a los lineamientos indicados en la Figura 2.

Figura 1: Representación 3D de las obras de abrigo pertenecientes al Proyecto de

Dársena Deportiva en Punta Cuevas, Puerto Madryn, Chubut

PLANTA SECCIÓN

PREDISEÑO DE ÁREAS ABRIGADAS

DEFINICIÓN DE LA OBRA FACTORES DE PROYECTO

Ubicación espacial

Intervalos de

tiempo

Criterios generales de

proyecto

Necesidades funcionales y

operativas

Medio físico

Hidráulica marítima

Materiales y equipos

constructivos

Figura 2: Generalidades en el diseño de una obra de abrigo

Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo 12

CAPÍTULO 2. CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS DE ABRIGO

Para poder comprender mejor los criterios de diseño y la construcción de las obras

de abrigo, es importante conocer inicialmente las tipologías existentes y su

clasificación. Según su disposición en planta, las obras de abrigo pueden

clasificarse en paralelas a la costa, convergentes o paralelas entre sí.

Obras de abrigo paralelas a la costa

Esta solución suele usarse en puertos exteriores ganados al mar, no muy lejanos a

la costa, o bien cuando no se disponga de terreno tierra adentro (Figura 3).

Pueden estar aisladas de la costa.

Figura 3: Disposición paralela a la costa de las obras de abrigo del Port 2000 Le

Havre [69]

Obras de abrigo convergentes

Este tipo de obra (Figura 4) es muy utilizado cuando se busca un calado

determinado para la boca de acceso. En este caso se las debe proyectar

correctamente para lograr suficiente área disponible, puesto que el puerto quedará

comprendido entre las obras.


Figura 4: Obras de protección convergentes (Obras de abrigo en Puerto Rawson -

Chubut)

Obras de abrigo paralelas entre sí

Se usa esta disposición en puertos creados a partir del avance sobre tierra o bien

en las desembocaduras de ríos navegables (Figura 5). Ofrecen inconvenientes,

como asolvamientos importantes, malas condiciones para la navegación y

penetración de la agitación cuando proviene en dirección de la boca de acceso.

Figura 5: Obras de protección paralelas entre sí (obras de abrigo en Puerto

Rawson - Chubut situación previa al año 2000)


Las obras de abrigo, de acuerdo a las características de su estructura y sección,

se pueden clasificar en obras en talud, verticales, mixtas y sumergidas, entre

otras.

Obras de abrigo en talud

Las obras de abrigo en talud (Figura 6) ofrecen grandes ventajas desde el punto

de vista constructivo, pocos peligros de averías y reparación relativamente fácil de

aquellas que se originen. En general, tienen bajas cotas de coronamiento, aunque

requieren la existencia de canteras en lugares próximos. En caso de no existir

disponibilidad de grandes tamaños de roca, es necesario utilizar elementos

premoldeados en las capas exteriores, lo cual hace que se incremente el costo y el

plazo de ejecución. Suelen también tener el inconveniente de restar superficie útil

a la zona abrigada por la extensión de sus taludes. Se utilizan comúnmente en

zonas poco profundas, con disponibilidad de materiales y posibilidades de

desarrollo de la obra sin obstrucción de la zona abrigada, ni necesidad de ser

usadas con fines de atraque de embarcaciones.

Figura 6: Sección típica de una obra en talud

Obras de abrigo verticales

El empleo de las obras de abrigo verticales es menos común que el anterior, por

las condiciones especiales de cimentación y profundidad que requieren, mayor a


dos veces la altura de ola de diseño para evitar que exista rotura, procurando que

esta última sea contra ellas. Es usual que se construyan con grandes cajones de

hormigón (Figura 7), que se llevan flotando hasta el sitio de colocación en donde

se hunden y se rellenan con rocas o arena. Tienen la ventaja de no requerir

canteras en las proximidades, y contar con relativa rapidez constructiva. Pueden

además utilizarse como sitios de atraque, pues presentan un paramento vertical;

aunque sus anchos no permiten que sobre el coronamiento se realicen

operaciones de carga general. También suelen hacerse con otro tipo de elementos

constructivos:

a) Bloques de hormigón simplemente yuxtapuestos.

b) Cilindros de hormigón armado.

c) Tablestacas planas de acero u hormigón.

d) Tablestacados de pared doble anclados o tablestacados apuntalados.

Figura 7: Sección típica de obras de abrigo con muros verticales

Obras de abrigo mixtas

Las obras de abrigo mixtas utilizan rocas en la base y un muro vertical sobre éstas

(Figura 8), y su uso se restringe a profundidades en donde se obliga a romper al


oleaje sobre el enrocamiento y la energía remanente se refleja con el muro

vertical.

Figura 8: Sección típica de un dique mixto

Obras de abrigo sumergidas

Las obras de abrigo sumergidas (Figura 9) son muy similares a las de talud

emergido aunque sin espaldón, puesto que a partir de un núcleo de todo uno de

cantera se construye una secuencia de mantos hasta alcanzar el exterior, el cual

se debe prolongar por el coronamiento y, dependiendo de su ancho, extenderse

por el manto de sotamar. La cota de coronamiento delimita el comportamiento de

la sección frente al rebase de las olas.

Figura 9: Sección típica de una obra de abrigo en talud sumergida


Otras

Existen otros tipos de estructuras (Figura 10) que no pertenecen a la clasificación

anterior, las cuales se mencionan a continuación:

1) Cribas: las estructuras de este tipo se construyen de madera o bien mediante

elementos de hormigón prefabricados, siendo fondeados algunos de sus

compartimentos. Los elementos de madera se los lleva flotando hasta su posición

y se los hunde mediante rocas colocadas en su interior. Aquellos elementos que

quedan en la superficie y por ende no llegan a la fundación, igualmente son

llenados con rocas para dar estabilidad al conjunto. La estructura es cubierta con

madera, hormigón, o rocas en el coronamiento. La madera utilizada en estas

estructuras debe ser tratada para protegerla de las condiciones propias que le

impone el ambiente marino.

2) Elementos neumáticos: la obra de abrigo neumática está compuesta por una

pantalla de burbujas generadas por la liberación de aire comprimido desde un

distribuidor sumergido. El ascenso de las burbujas genera una corriente vertical, la

cual a su vez produce corrientes horizontales sobre o cerca de la superficie del

agua en ambas direcciones; por ejemplo, en la dirección de procedencia de las

olas y en la opuesta. Cerca del fondo, las correspondientes corrientes fluyen hacia

la pantalla, completando el patrón de circulación. Las corrientes superficiales se

mueven contra la dirección de propagación de las olas, atenuando a las mismas;

sin embargo, este tipo de elemento sólo puede afectar parcialmente el efecto del

oleaje. Se vuelve más efectivo a medida que la relación H/L y la profundidad

relativa d/L aumentan (olas de corto período en aguas profundas).

3) Estructuras hidráulicas: este tipo de estructuras disipan la energía de las olas

mediante una corriente contraria a la incidente. Las corrientes son generadas por

flujos de agua generados a partir de un sistema distribuidor localizado sobre o

cercano a la superficie de la obra de abrigo. Este método es similar al descrito con

anterioridad. Por ende, las limitaciones prácticas son las mismas.

4) Faldón flotante: es una barrera física contra las olas que consiste en una

columna de placas o paneles. La distribución del peso es resistido en parte por el

empuje generado por el agua, y en parte por el fondo donde es asentado. Se

pueden realizar de diversos elementos y materiales, pero los más comunes son

los construidos con hormigón o acero. La atenuación del oleaje se logra por

reflexión y disipación turbulenta. Existen también otros diseños de estructuras

flotantes capaces de absorber o disipar la energía de las olas, como por ejemplo:


a) Rectángulos sólidos de hormigón

b) Pontones dobles, de compartimentos abiertos, armazones en A, etc.

c) Plateas neumáticas o de troncos.

d) Obstáculos flotantes: esferas, troncos, etc.

Figura 10: Esquema ideal de obras de abrigo flotantes [32]

Figura 11: Ejemplo de una obra de abrigo flotante (fuente: MSI)


CAPÍTULO 3. ASPECTOS RELEVANTES EN EL DISEÑO DE UNA OBRA DE ABRIGO

Criterios a seguir en la selección del tipo de obra de abrigo

A continuación se expondrán algunos aspectos que pueden llegar a ser relevantes

en el diseño de una obra de abrigo. En primer lugar debe definirse el objeto de la

obra, cuáles son los requerimientos que deberá cumplir, cuáles son los resultados

que se desean obtener, cuál es el grado de aquietamiento buscado y si el mismo

ha de ser permanente o si se admite mayor agitación en forma transitoria. Esto

definirá a grandes rasgos las dimensiones, el funcionamiento, si podrá haber

sobrepaso o no y cuál será la vida útil de la estructura.

Las características que debe reunir el lugar de ubicación de la obra de protección

son particularmente importantes para la determinación del clima de oleaje. En

general los datos de olas están referidos a aguas profundas alejadas de la costa,

por lo que es necesario trasladarlos hasta la traza de la obra. Con respecto a las

alturas de las olas es necesario conocer la significativa H1/3, pero también resulta

útil y a veces necesario conocer la máxima Hmáx y también los valores de H1/10 y

H1/100. Otro aspecto importante es el análisis de la ubicación de la obra y de la

condición de rotura. Para este análisis también será necesario conocer la

pendiente de la playa. Mientras que las olas son en parte detenidas por una obra

de abrigo, las corrientes son desviadas y pueden ocasionar problemas en zonas

como la boca de acceso al puerto. En casos muy aislados se observa que las

corrientes sumadas a la acción de las olas pueden erosionar seriamente las bases

de la obra de protección en la boca de acceso.

La configuración de los suelos es otro aspecto importante a tener en cuenta,

especialmente en los muros verticales. Estas estructuras descansan sobre el

fondo, y si éste no es capaz de recibir las cargas transmitidas, pueden aplicarse

distintos métodos de mejoramiento.

Los problemas de transporte de sedimentos merecen una atención cuidadosa. Las

obras de protección suelen modificar el régimen hidrosedimentológico existente y

provocar así nuevas condiciones que pueden dar origen a la formación de nuevas

playas, embancamientos y erosiones. En una apreciable cantidad de obras, las

entradas a los puertos se han visto colmatadas de sedimentos, lo que obligó a

realizar modificaciones sucesivas en sus trazados. Para elegir el tipo de obra de

Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo 20

abrigo es necesario tener en cuenta varios aspectos. A continuación se hace

mención a algunos de los más importantes.

1) Las características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de

emplazamiento de la obra (topobatimetría, régimen de oleaje, mareas, transporte

de sedimentos, etc.).

2) Materiales, equipos y mano de obra disponibles.

3) Procedimientos constructivos asociados a las variantes tipológicas de la obra de

abrigo.

4) Operaciones portuarias.

5) El espacio litoral: aspectos sociales, culturales y turísticos.

6) Actividades asociadas al hinterland3 y foreland4.

1) Características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de emplazamiento de la obra

a) Características físicas

El suelo sobre el que se fundará la obra de abrigo es un aspecto relevante que

condiciona su diseño. Entre las variables que definen las propiedades de un suelo

están su tensión admisible, compresibilidad, módulo de Poisson, coeficiente de

balasto, resistencia a corte y su composición estratigráfica (roca, suelos

granulares, cohesivos, etc.). Es importante considerar además, la interacción entre

la superestructura y el suelo, puesto que las propiedades de éste pueden ser

modificadas según el tipo de obra de abrigo a construir en él. Por razones obvias,

los muros verticales no son aconsejables en suelos compresibles de baja

capacidad portante. En estos suelos y ante estas obras se generan asentamientos

diferenciales por concentraciones de cargas combinadas con la acción de las olas,

que requieren mayor superficie de fundación y una mejor distribución de las

presiones de contacto.

3 El hinterland suele hacer referencia a la zona emplazada detrás de un puerto, donde se

recogen las exportaciones y se distribuyen. 4 El foreland es el área complementaria de un puerto conectado a éste por barco, es decir,

al conjunto de áreas desde donde se atraen las importaciones y se distribuyen las

exportaciones.


La roca es un buen material para una fundación, sin importar la obra de abrigo que

se trate. Con los rellenos granulares también se obtienen buenos resultados,

aunque en el caso de suelos granulares sueltos se deberá prestar especial

atención a los fenómenos de licuefacción generada por acción de efectos

dinámicos asociados a los movimientos oscilatorios del mar. Asimismo, y para el

mismo caso, la presencia de agua intersticial puede ocasionar sobrepresiones que

varían las tensiones admisibles efectivas.

Para el caso de suelos cohesivos con baja permeabilidad y elevada

compresibilidad deben cuidarse las condiciones de drenaje, el historial de cargas

aplicadas, las presiones y su velocidad. Ante estos casos, las presiones

intersticiales pueden producir una disminución de la rigidez de los suelos.

Cada una de las posibles estructuras tiene una característica diferente en cuanto a

las cargas que deberán ser soportadas por el terreno. Esto debe tener especial

interés más aún considerando que es muy común encontrar en zonas costeras

suelos sueltos no consolidados o capas de depósitos de distinto origen con una

gran variación estratigráfica de la capacidad de absorber cargas. Cada estructura

tiene un comportamiento distinto, por lo que a continuación se analizarán los

casos.

Obras en talud

Esta estructura absorbe íntegramente la carga dinámica de las olas en las capas

de roca o elementos premoldeados del talud exterior, sin que tales acciones se

transmitan en gran medida al plano de fundación. Por lo tanto, la fundación sólo

debe soportar el peso propio de la obra, pero cabe acotar que el contacto entre la

obra y el suelo de fundación se materializa en las caras y aristas de las rocas o del

material granular que forma la parte inferior de la estructura. Ello significa que allí

se producirán concentraciones de carga y por ende de tensiones, de modo que si

el suelo no está en condiciones de soportarlas, se producirá una penetración de la

propia obra en el suelo existente. Por ello será necesario agregar material para

compensar las pérdidas por migraciones en la base. Este fenómeno puede afectar

severamente la obra cuando se funda sobre limos o arcillas blandas.

También deben tenerse en cuenta los problemas vinculados con la estabilidad del

talud asociada con fallas de deslizamiento del suelo de fundación. Cuando se

diseña en el coronamiento una obra continua de hormigón, un aspecto a

considerar es la posibilidad de asentamientos diferenciales a lo largo de la obra,

que se manifiestan luego en roturas y la aparición de discontinuidades en el

coronamiento.


Obras de paramento vertical

Estas obras funcionan como estructuras monolíticas, por lo que las cargas

dinámicas de las olas se traducen en fuerzas horizontales aplicadas en la cara

anterior, que a su vez provocan:

- Momento volcador.

- Fuerzas de deslizamiento.

- Tensiones transmitidas al suelo.

Las tensiones en la base son mayores que en las obras en talud y el suelo debe

absorberlas sin dar lugar a asentamientos totales o diferenciales que perjudiquen

su continuidad, por poseer una rigidez superior a las escolleras.

Obras mixtas

Para estas obras es válido lo indicado con anterioridad. La base de material suelto

debe estar en condiciones de absorber las tensiones generadas por el muro

vertical y transmitirlas a la fundación, la cual también absorberá el peso propio de

la base.

Trazado

Una vez definida el área portuaria y los espacios ordenados de acuerdo con sus

funciones, el trazado de la obra de protección debe evitar en la zona marítima los

efectos adversos que producen las acciones exteriores y lograr estados de poca

agitación del agua interior, compatibles con las operaciones portuarias previstas

en cada sector. En lo posible deben aprovecharse las condiciones naturales, no

sólo la presencia de islas o elevaciones naturales, sino también la configuración

del fondo, ya que la misma da lugar a fenómenos de refracción de las olas. Se

buscarán entonces las zonas donde al acercarse a la costa, la energía de las olas

tienda a reducirse por unidad de ancho de frente (Figura 12 b) y no aquellas otras

donde los rayos incidentes convergen y la energía se concentra sobre anchos de

frente menores (Figura 12 a). Por ello, la obra de protección puede tener una, dos

o varias ramas.

Es evidente que uno de los aspectos más complejos del diseño se refiere a la

dimensión y orientación de la boca de acceso. El diseño final dependerá de una

combinación adecuada entre la seguridad de la embarcación al ingreso y la

energía de las olas que penetran por esa boca. Para ambos debe tomarse la

circunstancia más favorable. El buque debe ingresar al puerto en forma rectilínea o

siguiendo una trayectoria curvilínea. En este último caso, existe la posibilidad de


una fuerte acción lateral de los vientos o corrientes que debe ser evaluada, lo cual

generará un ancho mayor del canal de acceso. La mayor facilidad la ofrece un

ingreso rectilíneo con vientos o acciones de proa o de popa. Pero

simultáneamente esto genera el ingreso de mayor energía de las olas.

Otro aspecto que puede condicionar la elección del tipo de obra de abrigo tiene

que ver con el área disponible para su localización. En general, las obras de

abrigo en talud ocupan mucho más espacio en planta que las verticales, en

especial, si las profundidades son elevadas. Aún los muros verticales requieren de

banquetas de nivelación, por lo que se encuentran limitados en casos de

reducidas áreas de emplazamiento.

Figura 12: Incidencia convergente y divergente de la dirección de las olas

(adaptado de [35])


b) Características hidráulicas

Resulta importante analizar el espectro incidente de olas a la hora de definir el tipo

de estructura a adoptar. Otro aspecto es el análisis de las variaciones estacionales

del clima de oleaje debido a las posibles complicaciones constructivas que se

pueden plantear en el transcurso de la obra. Una obra en talud tiene muy bajo

coeficiente de reflexión, ya que tiende a absorber la energía de las olas mediante

su propia opacidad y rugosidad superficial. Los muros verticales reflejan las olas y

provocan un aumento de la agitación con superposiciones de ondas y alturas de

olas mayores. Este último aspecto se torna peligroso en el caso que dichos

fenómenos se extiendan a las zonas de navegación o a canales de acceso al

puerto.

Un aspecto a considerar dentro de las características hidráulicas es la profundidad

(d) a pié de la obra de abrigo. Esta variable incide en la hidráulica marítima del

proyecto puesto que intervienen el régimen de mareas y las alturas de las olas.

Para profundidades elevadas, hasta los 70 m, es conveniente el uso de obras de

abrigo mixtas. Para profundidades intermedias (hasta los 40 m), es posible utilizar

muros verticales, y las obras en talud suelen adoptarse hasta los 30 m. Estas

profundidades son ciertamente aproximadas y dan un orden de valor a los efectos

de lograr estructuras óptimas desde el punto de vista económico, evitando grandes

volúmenes de material para alcanzar las cotas de proyecto. Los trazados de las

obras de abrigo muestran profundidades variables, por lo general inician su

trazado desde la costa para avanzar hacia mar adentro. En esta evaluación se

consideran las mayores profundidades, puesto que en ellas se suponen las

mayores solicitaciones y es por supuesto allí donde se alcanzan las máximas

dimensiones con el mayor volumen de material. Sin embargo, es necesario tener

en cuenta que los valores mínimos de profundidad pueden condicionar el diseño

de los pies de filtro o eventualmente, la de los elementos inferiores de la coraza.

Dentro del análisis y proyecto, la rotura de la ola tiene un estudio especial,

considerando que la forma de la misma difiere de acuerdo al tipo de obra elegida.

Cuando rompe, una ola causa fuerzas de importancia sobre la estructura,

generándose el colapso en su forma ondulatoria. Esto condiciona el diseño de la

obra de abrigo si ésta se emplaza o no en una zona de rompientes. Como es

sabido, una ola periódica que avanza sobre un fondo con pendiente se vuelve

inestable y rompe; la altura y la profundidad en esa condición son función de las

pendientes de la playa y de la relación entre su altura y la longitud de onda. Para

el caso de ondas solitarias en aguas de profundidad constante, el criterio de rotura

se basa en una relación sencilla, siendo la máxima altura de ola en la rompiente


de Hb = 0,78.d, según Mc Cowan. La ecuación anterior se ha utilizado para olas

periódicas en condiciones de profundidad constante, o cuando la pendiente de

fondo es pequeña y la relación entre la profundidad y la longitud de onda d/L < 0,1.

Existen numerosos nomogramas para el cálculo de la altura de la ola en la zona

de rompiente, de los cuales se destacan aquellos que toman en cuenta la altura de

rotura de diseño en función de un parámetro adimensional respecto de la

profundidad relativa de la estructura.

El comportamiento general de las obras de abrigo frente a los parámetros

hidráulicos dependerá de su geometría y de su relación con las características del

oleaje, en particular, de la rotura al pié y de su forma. La geometría a la que se

hace referencia, incluye tanto la disposición planimétrica como la de su sección.

b.1) Modelaciones

Para el diseño de obras portuarias es importante efectuar modelos de tipo

matemáticos y/o físicos en escala reducida (Figura 13). Sin embargo, dichos

modelos proveen resultados precisos si son alimentados mediante los datos de

campo que requieren, los que a su vez necesitan una adecuada tarea de

relevamientos y mediciones. Los programas y los modelos deben interpretar

correctamente los fenómenos que ocurren en el lugar. Así, por ejemplo, en los

modelos de agitación no es suficiente efectuar ensayos sólo con olas regulares,

sino que es necesario ensayar también olas de espectros irregulares. De igual

manera deben respetarse las variaciones en la dirección de las olas.

Figura 13. Modelo físico bidimensional a escala de una obra de abrigo en talud


Modelaciones físicas

Los modelos físicos permiten evaluar fenómenos reales como la propagación de

las olas y el transporte de sedimentos sin utilizar las simplificaciones que generan

los modelos matemáticos. Por otro lado, el modelo permite recabar información de

una manera más controlada ya que por su envergadura, resulta más acotado que

un prototipo. Como desventajas se pueden citar los efectos de escala y la

simplicidad de omitir algunos fenómenos como la interacción de las olas con el

viento u otras fuerzas que pueden variar los resultados.

Criterios de semejanza

Existen tres criterios de semejanza para lograr una correspondencia entre los

resultados del modelo con los del prototipo.

Semejanza geométrica

La semejanza geométrica se logra cuando las dimensiones del modelo son

proporcionales a las dimensiones del prototipo. Algunos modelos requieren

generar una distorsión geométrica, la cual consiste en utilizar una escala diferente

para las medidas horizontales respecto de las verticales. Ello es usual cuando se

modelan grandes superficies de agua. La escala de longitudes nL de un modelo

está dada por la ecuación (1). La semejanza geométrica se cumplirá cuando todas

las longitudes del modelo conserven la misma proporción nL con el prototipo.

nL = Lm / Lp (1)

donde:

L = longitud (horizontal o vertical)

m y p = modelo y prototipo, respectivamente.

Semejanza cinemática

Para lograr que el movimiento y las trayectorias de las partículas sean

proporcionales a las del prototipo es necesario generar la semejanza cinemática.

Para ello, se define la escala de aceleración na, de velocidad nv y de tiempo nt.


na = am / ap (2)

nv = vm / vp (3)

nt = tm / tp (4)

Para que se verifique la semejanza cinemática, deben satisfacerse las siguientes

relaciones:

nv = na . nt (5)

nL = nv . nt (6)

En general, como la aceleración de la gravedad no varía, se adopta na = 1, por lo

que se fija la escala de longitudes nL. De la ecuación (6), se obtiene:

nt = nL / nv (7)

Si se multiplica por na = 1:

nt = na . nL / nv (8)

De la ecuación (5):

nt = nv / na (9)

Igualando a (8) con (9):

nt = nv / na = na . nL / nv (10)

nv2 = na . nL nv = nL

0,5 (11)

nt = nL / nv = nL / nL0,5 nt = nL

0,5 (12)

Semejanza dinámica

Para generar la semejanza dinámica, es necesario lograr la proporción entre la

masa y las fuerzas que actúan sobre las partículas de agua del modelo y el

prototipo. Deben cumplirse además las semejanzas cinemática y geométrica. Sin

hugo donini diseño y construcción de obras de abrigo en talud

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