modelos hidráulicos de agitación de oleaje y estabilidad de un rompeolas

7/21/2019 Modelos Hidráulicos de Agitación de Oleaje y Estabilidad de Un Rompeolas

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I NSTITUTO P OL ITÉCNICO N ACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

Unidad Zacatenco Ing. Civi l

Elabo ró: Franc isc o Valentín Ávalo s Saucedo

IPN

INDICE

Temas Páginas

1. Carátula………………………………………………………………….………………....1

2. Introducción (1)……………………………………………………………………….....3-5

3. Antecedentes (2)……………………………………….............................................6-7

4. Objetivos (3)……………………………………………………………………………..8

5. Fenómenos oceanográficos que se consideraron en el estudio y la batimetríaempleada (4) ……………………………………………………………….……......8-14

6. Estudios teóricos (5)………………………………………………………………...15-19

7. Modelación matemática de la agitación del oleaje(6)………………………………………………………………………………………20-23

8. Estudios experimentales (7) ……………………………...………………………..23-31

9. Construcción de los modelos y calibración (8) …………………………………..31-41

10. Resultados experimentales, alternativas de solución y conclusiones……...…..41-53






1) INTRODUCCIÓNLa presente tesis se encontró en la biblioteca del Instituto de Ingeniería de la UNAM, la

presentó el alumno José Alberto Montiel Montiel de la ENEP Aragón para obtener el título

de ingeniero civil en el año 2000.

La finalidad de las investigaciones que se presentaron en esta tesis fue proponer elproyecto de ampliación de una terminal de transbordadores mediante Modelos Hidráulicosde Agitación de Oleaje y Estabilidad de un Rompeolas de Protección, formado por 2capas de cubos ranurados de concreto de 10.4 toneladas.

La tesis consistió en la revisión de 3 aspectos fundamentalmente:

1) El cálculo de los coeficientes de agitación en diversas secciones del puerto paraverificar cuales eran las condiciones de cada uno de ellos, mediante un ModeloHidráulico de Agitación de Oleaje.

2) El estudio de la estabilidad de los elementos de la coraza de los rompeolas. En elcual se utilizaron 2 modelos un Modelo Tridimensional de Estabilidad y un ModeloBidimensional de Estabilidad,

Así mismo se desarrollaron modelos numéricos con la finalidad de compararlos con losresultados de los modelos hidráulicos y así poder tener una comprobación, en caso deque los resultados de los modelos numéricos fuesen parecidos a los del modelo hidráulicose iba a tener certeza del trabajo desarrollado.

Las investigaciones se apegaron a una serie de ensayos en modelos hidráulicosreducidos bajo oleaje irregular, midiéndose en el caso del modelo hidráulico de agitaciónlas alturas de ola a lo largo del canal de acceso, dársena de ciaboga y dársena deoperación, considerando taludes de dragado de 3:1, 1:1

Para el estudio de estabilidad de los cubos de concreto de 10.4 toneladas, se tomó encuenta la altura y el periodo del oleaje, la forma de colocación de los elementos,profundidad al pie, número de capas de coraza y talud del rompeolas.

A continuación se señala cada punto que se tomó en cuenta para los modelos que se

estudiaron y analizaron, como también el mecanismo de operación que tuvo cada de

ellos.






Modelo Hidráulico deAgitación de Oleaje

Selección de la escala del Modelo

Hidráulico.

Proyecto del Modelo Hidráulico.

Construcción del Modelo Hidráulico.

Construcción del fondo marino.

Construcción de los elementos de

coraza.

Selección de los elementos de la capa

secundaria y núcleo.

Construcción de la sección transversal.

Operación del Modelo

Hidráulico de Agitación deOlea e

Modelo Tridimensional deEstabilidad

Proyecto del modelo hidráulico. Construcción del fondo marino. Construcción de los elementos de

coraza. Selección de los elementos de la capa

secundaria y núcleo. Construcción del rompeolas en el

canal olas.

Programa de ensayos.

Condiciones y procedimientos de los

ensayos.

Alternativas ensayadas.

Presentación de la información

experimental.

Resultados de los ensayos.

Conclusiones.

Secciones propuestas.






Operación del ModeloTridimensional de

Estabilidad

Programa de ensayos.

Condiciones y procedimientos de los

ensayos. Alternativas ensayadas.

Presentación de la información

experimental.

Resultados de los ensayos.

Conclusiones.

Secciones ro uestas.

Modelo Bidimensional deEstabilidad

Selección de escala del modelohidráulico.

Proyecto del modelo hidráulico. Construcción del fondo marino. Construcción de los elementos de

coraza. Selección de los elementos de la capa

secundaria y núcleo. Construcción de la sección

transversal del rompeolas.

Operación del ModeloBidimensional de

Estabilidad

Programa de ensayos. Condiciones y procedimientos de

ensayos. Alternativas ensayadas. Presentación de la información

experimental.

Resultados de los ensayos. Secciones propuestas.






2) ANTECEDENTES

La terminal de transbordadores se ubicó sobre la costa noroeste del Estado deYucatán, siendo su ubicación las siguientes coordenadas geográficas latitud

noroeste y longitud oeste, en Progreso Yucatán.

Debido al crecimiento económico que tuvo la zona y que la terminal fue insuficiente enese momento fue insuficiente, fue necesario ampliarla, con la finalidad de que losbuques con mayor calado que llegaran a la zona.

Sin embargo también se planearon otras modificaciones, como la ampliación la zonaartificial de operaciones y dragar el canal de acceso de 5.5km de longitudaproximadamente, hasta que se encontrara una profundidad requerida

Además se planeó que las zonas de operaciones contemplaran áreas de agua parauna dársena de ciaboga de 450m de diámetro y una dársena de operación para los

nuevos puestos de atraque dragadas a una profundidad de cuyas formas ydimensiones se muestran en la Fig. 1. Con el objetivo de revisar el proyecto deampliación se efectuó la realización del “Estudio de Modelos Hidráulicos de Agitaciónde Oleaje y Estabilidad de un Rompeolas del Proyecto de Ampliación de una Terminalde Transbordadores”




Unidad Zacatenco Ing. Civ i l

Elabor ó: Francis co Valentín Ávalos Saucedo

Fig 1.






3. OBJETIVOS

Modelo hidráulico de agitación de oleaje:

Se observaron y midieron las condiciones de agitación que pudieron habersepresentado en las áreas de agua (canal de acceso y dársenas), se consideró la

incidencia de 3 direcciones de oleaje y estabilidad de un rompeolas del proyecto

de ampliación de una terminal de transbordadores.

Se valoró la influencia de los taludes de dragado en el comportamiento de la

agitación del oleaje.

Se observó en forma cualitativa los fenómenos de reflexión o resonancia que se

generaron por efecto de los muelles en el puerto.

Se calculó la operatividad por agitación en las zonas de atraque para cada

condición de oleaje ensayada.

Y finalmente con base a todos los puntos anteriores que se realizaron, se

definieron los arreglos necesarios para lograr en el interior del puerto las zonas de

calma necesarias para el funcionamiento óptimo del proyecto.

Modelo hidráulico de estabilidad:

Se probó la estabilidad de los cubos de concreto del cuerpo y morro del rompeolas

de protección con relación al ataque frontal y oblicuo del oleaje de diseño.

Se probó la estabilidad de los cubos de concreto del cuerpo del rompeolas de

protección con relación al ataque frontal del oleaje de diseño.

Con base a los resultados anteriores que se obtuvieron, se optimizo la sección

transversal del cuerpo del rompeolas probando arreglos diferentes a lo que se

indicó en el proyecto original.

4. FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS QUE SECONSIDERARON EN EL ESTUDIO Y LA BATIMETRÍA

EMPLEADA

Los fenómenos oceanográficos que se consideraron para el estudio en los modelos

hidráulicos de agitación de olaje y estabilidad fueron los siguientes:

Oleaje normal:

Este parámetro se tomó de una memoria de cálculo de un anteproyecto del canal de

navegación con profundidad de 11.00m, dicha información obtenida se encuentra de la

Tabla No 1 a la 5, referidas al Nivel de Bajamar Media (N.B.M) y de la dársena de

ciaboga para el puerto en estudio.






Con dichos datos presentados en esas tablas mencionadas del oleaje normal, se tuvieron

los porcentajes de ocurrencia anual por dirección como fueron:

34.84% para la Noreste.

30.81% para la Este.

18.48% para la Norte.

9.53% para la Oeste.

Con lo anterior mencionado se concluyó que el estudio de agitación debería ser realizado

con 3 direcciones de oleaje. Norte, Noreste y Noroeste, omitiéndose las direcciones Este

y Oeste, debido a que el puerto se encontraba completamente protegido para la dirección

Este y para la dirección Oeste presentó un porcentaje muy bajo de actuación (23 días al

año).

Para el estudio de los periodos de ola, se asoció cada dirección con periodos de 8, 15, y

21 seg y con respecto a las alturas de ola que se utilizaron en el modelo de agitación, se

determinó generar el oleaje en el modelo para cada periodo de ola seleccionada y se

midió directamente en el modelo hidráulico la altura de ola generada, la cual se refirió a la

zona de aguas profundas por medio del coeficiente de refracción respectivo, que se

obtuvo a su vez de un análisis de refracción de oleaje.

Oleaje extremal:

Para el estudio de estabilidad de los cubos de concreto del cuerpo y morro del rompeolas

de protección, se tomaron en cuenta las alturas y periodos del oleaje extremal calculados

a la profundidad de 10.00m, se concluyó que para el estudio de estabilidad de los

elementos de coraza del cuerpo y morro del rompeolas de protección, se deberían de

considerar olas de 3.00 a 5.00m asociadas con periodos de oleaje de 8.00, 9.00 y

1.00seg.

Marea de tormenta:

Este fue otro fenómeno natural que se consideró para el estudio de estabilidad de los

elementos de coraza del morro y cuerpo del rompeolas de protección, la marea de

tormenta se puede definir como la sobre-elevación del nivel del mar provocada por el

esfuerzo cortante del viento sobre la superficie del agua durante la presencia de los

huracanes. Para el estudio que se realizó en la zona, se consideró los siguientes niveles

del mar +2.50m, +1.70m y 0.00m respectivamente.

Batimetría:

Las condiciones batimétricas que se utilizaron para la representación del modelo

hidráulico de agitación de oleaje, corresponden a las mostradas en la Fig 1. de fecha

marzo de 1999.





Elabo ró: Franc isc o Valentín Ávalo s SaucedoTabla 1.






5. ESTUDIOS TEÓRICOS

Modelación matemática de la refracción de oleaje.

a) Preparación de la información:

La modelación matemática de la refracción del oleaje normal se realizó mediante la

técnica numérica desarrollada por Takayama para oleaje irregular empleándose para tal

fin los siguientes datos:

Tabla 6.






b) Condiciones de oleaje:

Para realizar la simulación numérica de la refracción de oleaje, se consideraron las

condiciones de oleaje que se presentan en la Tabla 7.

c) Configuración batimétrica de aguas profundas:

Las condiciones batimétricas que se utilizaron para propagar el oleaje desde aguas

profundas, corresponden a las obtenidas en el Golfo de México, obtenidas por la NOAA

(National Oceanic and Atmospheric Administration) del Departamento de Comercio de

Estados Unidos de Norte América, mediante planos de batimetría.

Las condiciones batimétricas que se utilizaron para la refracción de detalle en la zona de

ubicación del puerto, corresponden a la batimetría mostrada en la Fig. 1

d) Cálculo de refracción del oleaje: Con los datos anteriores de oleaje y batimetría se

construyeron 6 mallas para realizar el cálculo de refracción de oleaje, la primera malla con

una distancia de 3200m por lado, iniciándose desde la profundidad de 1800m; la segunda

malla con una distancia de 1600m por lado; la tercer malla con una distancia de 800m por

lado; la cuarta malla con una distancia de 400m por lado; la quinta malla con una distancia

de 200m por lado y la sexta malla con una distancia de 100m por lado. Cabe mencionar

que las profundidades de las mallas se tomaron como referencia al N.B.M (Nivel deBajamar Media). Las profundidades de las mallas, se utilizaron también para el Modelo

Numérico para la refracción del oleaje, el acomodo de las mallas se muestra en la Fig. 2.

Con base a los datos obtenidos directamente de campo se realiza una simulación

numérica con los siguientes pasos:

a) Presentación de los resultados:

Tabla 7.






Con la finalidad de visualizar los resultados obtenidos, la distribución espacial del oleaje

se representó mediante vectores de oleaje, definiendo las magnitudes y las direcciones de

dichos vectores con los valores de las alturas y direcciones del oleaje obtenidas en la

simulación numérica respectivamente, bajo las condiciones de la dirección crítica que se

estudió (Norte, Noreste y Este), para los diferentes tiempos empleados (8, 15 y 21 seg),Fig. 3

También con base a esos datos obtenidos se representaron esquemas de la distribución

en planta de las alturas de ola unitaria refractada de aguas profundas hasta el sitio del

puerto. Fig. 4

De acuerdo con lo anterior se puede concluir que el oleaje de la dirección noreste

provocaba la mayor penetración del oleaje en el puerto, seguida por las direcciones norte

y noreste. En cuanto a las alturas de ola, considerando una ola unitaria en aguas

profundas, se tendría una altura de ola de 0.20m detrás del rompeolas y una altura de ola

del orden de 0.10m en el paramento de atraque más cercano al rompeolas.

Fig 2.






Fig 3.






Fig 4.






6. MODELACIÓN MATEMÁTICA DE LA AGITACIÓN DELOLEAJE

a) Preparación de la información:

Condiciones de oleaje: Para la realización de la simulación numérica del

fenómeno de agitación de oleaje en el puerto , se tomaron en cuenta las

condiciones de oleaje que se presentaron, las cuales se muestran en la

siguiente tabla:

La altura de ola incidente en el modelo matemático de agitación de oleaje, fue

determinada mediante el promedio de las alturas de ola medidas frente al rompeolas en el

Tabla 8.






modelo físico de agitación considerando los ensayos realizados con talud 1:1, 3:1 y

vertical para cada periodo y dirección del oleaje, como se muestra en la Tabla 8

b) Batimetría y disposición del puerto

La batimetría y el arreglo geométrico del proyecto de ampliación de la terminal portuaria

considerados para la simulación numérica de la agitación del oleaje, corresponden a la

Fig 1.

c) Modelación matemática:

Para el cálculo de la agitación del oleaje en el interior del puerto, se aplicó el principio del

fenómeno de la difracción del oleaje, el cual se presenta cuando la propagación del

mismo es interrumpida por un obstáculo natural o artificial lo que provoca que el oleaje

gire en el extremo del obstáculo y penetre detrás del mismo.

El modelo matemático de agitación del oleaje, se basó en la velocidad potencial del

oleaje, la cual es una función que expresa totalmente las características del oleaje

incluyendo la velocidad de la partícula de agua, presión dinámica dentro del agua y la

variación de la superficie del agua con el tiempo.

Con base a esto planteado, se planteó una ecuación tridimensional para encontrar la

velocidad potencial, con la finalidad de obtener la altura de la ola en cualquier punto

detrás de un obstáculo con coordenadas P(x, y), siendo la ecuación:






d) Interpretación de resultados

En la Tabla 9 se presentó un resumen de los valores del coeficiente de agitación en las

zonas de atraque del puerto, obtenidas mediante la aplicación del Modelo Numérico paralas direcciones Norte, Noreste y Noroeste del oleaje asociadas con periodos de 8, 15 y 21

seg.

De acuerdo con los resultados del Modelo Numérico de agitación de oleaje, se tiene lo

siguiente:

a) Para un oleaje incidente de 8seg de periodo, la dirección Noroeste presentaron

los mayores coeficientes de agitación 0.10 en las zonas de atraque para Cruceros.

Contenedores y Graneleros, excepto en la zona de atraque para petroleros cuyo

coeficiente máximo de agitación se presentó para la dirección Norte, alcanzando

un valor de 0.15.

b) Para un oleaje incidente de 15seg de periodo, las direcciones Norte y Noroeste

generaron los máximos coeficientes de agitación siendo de 0.15 en las zonas de

atraque para cruceros, contenedores y graneleros y de 0.20m en la zona de

atraque para petroleros.

c) Para un oleaje incidente de 21seg de periodo, la dirección Noroeste generó los

coeficientes de agitación máximos, siendo de 0.15 para las zonas de atraque para

cruceros, contenedores y graneleros, excepto en la zona de atraque para

petroleros, cuyo coeficiente máximo de agitación fue de 0.20.

De acuerdo con los puntos anteriores se puede decir que el oleaje del Noroeste

con periodo de 21seg provoca la mayor agitación del oleaje dentro del puerto,

seguido por las direcciones Norte Y Noreste.






7. ESTUDIOS EXPERIMENTALES

Cabe señalar que como se mencionó al principio se emplearon 3 modelos, por lo que seabordaran cada uno de ellos de manera individual sus estudios experimentales

a) Mod elo Hidráuli co de Agi tación de Oleaje:

Para la verificación de los arreglos en planta desde el punto de vista de agitación de

oleaje, se reunieron los elementos necesarios para optimizar el diseño del proyecto de

ampliación de la terminal de transbordadores, se proyectó y construyó un modelohidráulico de fondo fijo. En el cual se reproducirían y observarían las condiciones de

propagación de oleaje normal en el puerto

Ley de semejanza empleada y escala del modelo hidráulico:

Para llevar a cabo el estudio en modelo físico reducido, se aseguró cumplir las

condiciones de semejanza o similitud que rigen en los estudios experimentales como son

la semejanza geométrica, la cinemática y la dinámica.

La semejanza geométrica es la semejanza de forma y por lo tanto es necesario que las

relaciones de todas las dimensiones lineales homólogas entre modelo y prototipo sean

iguales. La semejanza cinemática es la semejanza de movimiento, por lo que hay que

Tabla 9.






tomar en cuenta una magnitud vectorial y el factor tiempo, esto implica que las

trayectorias y velocidades de las partículas móviles homólogas sean iguales. La

semejanza dinámica se alcanza cuando existe semejanza de masas y fuerzas.

En el estudio que se realizó se consideró como fuerzas predominantes las fuerzas de

gravedad e inercia , por lo que se tendría:

EC-1

Al tenerse que verificar la igualdad entre la razón de las fuerzas entre el modelo y el

prototipo se tendrá:

EC-2

Expresando las fuerzas anteriores en términos de sus equivalentes físicos, se tendrá:

Densidad:

Aceleración:






Multiplicando por

Sustituyendo los valores anteriores en EC-2

( ) ( )

Igualando prototipos y modelos :

( )

( )

() ( )






√

√

Indicando los subíndices “m” y “p” en las ecuaciones anteriores modelo y

prototipo respectivamente y representado por el subíndice

La igualdad anterior indica que la cantidad adimensional

La igualdad llamada número de Froude, debe ser igual en modelo y prototipo. La

selección de la escala del modelo se determinó en función de la magnitud de las

olas que se representaron en el modelo, las características de los equipos de

generación y mediación de oleaje y el espacio disponible en el laboratorio para la

construcción del modelo. De acuerdo con la anterior se seleccionó una escala de

líneas de 1/175.De acuerdo con la escala seleccionada y tomando en cuenta la Ley de semejanza

expresada mediante el número de Froude se determinaron las distintas escalas a

considerar en el modelo de la siguiente manera:






Considerando que se tiene , por lo tanto resulta la siguienterelación para la velocidad

Siendo la escala geométrica seleccionada

De acuerdo con lo anterior, se tuvieron las siguientes relaciones entre modelo y

prototipo

√

√

Proyecto del Modelo Hidráulico de Agitación de Oleaje: Posteriormente que sedeterminaron las relaciones que ligaron al prototipo con el modelo, se procedió comosiguiente paso al proyecto del modelo, para lo cual se tomó en cuenta los límites delprototipo a representar en el modelo. En base a lo anterior el modelo se proyectó sobre untanque de olas ya existente, con dimensiones de 23.85m de ancho, 28.74m de largo y0.70m de profundidad.

b) Modelo Tridimensional de Estabi l idad:

El estudio de la estabilidad del cuerpo y morro del rompeolas de protección del proyectode ampliación de la terminal de transbordadores se realizó en el canal de olas existente.

Para realizar dicho estudio se representaron las secciones transversales del proyectopara el cuerpo y morro del rompeolas en los últimos 100m. Durante los ensayos seobservó su comportamiento al ser sometidas a diversas condiciones de oleaje detormenta.

Utilizando el mismo criterio anterior de la ley de semejanza y tomando en cuenta lasdimensiones y el peso de los elementos del cuerpo y morro del rompeolas a ensayar se






escogió una escala de líneas de 1 /40. De acuerdo con la escala de líneas elegida y la leyde similitud de Froude, se tendrán las siguientes relaciones entre modelo y prototipo:

√

√

Por otro lado, la relación entre la densidad del agua del modelo (agua dulce) y la relación

entre el agua de mar es la misma que la de sus pesos unitarios, es decir:

Partiendo de la siguiente ecuación:

EC-1

En términos de modelos se puede representar de la siguiente manera:

EC-2

Sabiendo que:






EC-3Sustituyendo: EC-3 en EC-2:

EC-4

En términos de escala de líneas la EC-4 quedaría:

Despejando

EC-5






Haciendo las siguientes relaciones:

Sustituyendo dichas relaciones en EC-5

EC-6

Sustituyendo los valores obtenidos inicialmente de:

Finalmente quedaría:






EC-7

Proyecto del Modelo Tridimensional de Estabilidad: En base a la escala de líneasseleccionada de 1/40 y tomando en cuenta la pendiente del fondo marino que serepresentó en el modelo tomando en cuenta también las dimensiones del canal de olasque estaba en el laboratorio de hidráulica marítima donde se realizaron las pruebas, asícomo la pendiente de la losa de configuración existente en el interior de dicho canal.

c) Modelo Bidim ensional de Estabi lidad:

El estudio de la estabilidad del cuerpo del rompeolas de protección del proyecto deampliación de la terminal portuaria se realizó en el canal de olas angosto.

Utilizando los mismos criterios anteriores descritos en los modelos anteriores se eligió unaescala de líneas de 1/40.

De acuerdo con la escala elegida y la ley de similitud de Froude, se obtuvieron lasrestantes escalas que se indican a continuación en la Tabla 10.

Proyecto del Modelo Bidimensional de Estabilidad: En base a la escala de 1/40. Ytomando en cuenta la pendiente del fondo marino que se representó en el modelo y lasdimensiones del canal de olas que estaba disponible para la construcción del modelo, asícomo la pendiente de la losa en el interior de dicho canal, se realizó el proyecto hidráulicobajo esas condiciones.

8. CONSTRUCCIÓN DE LOS MODELOS YCALIBRACIÓN






A continuación se describe el procedimiento constructivo de cada uno de los tres modelos

así como su calibración previa antes de que operaran.

A) Modelo Hidráulico de Ag itación d e Oleaje: Se realizó de la siguientemanera:

1) Se demolió la losa que configuraba el antiguo fondo marino antiguo en el modeloexistente en el tanque de olas, se removió todo el cascajo que se generóretirándolo del tanque de olas y se reacomodo la arena en las zonas de relleno enel nuevo modelo.

2) Se impermeabilizo el fondo y las paredes laterales interiores del tanque de olas,con el objeto de evitar filtraciones de agua en los ensayos.

3) Se compacto el relleno de arena que se vertió dentro del tanque, así mismo serealizó el trazo de la configuración batimétrica que se representó en el modelo,utilizando un sistema de coordenadas arbitrarias trazadas previamente en elmodelo.

4) Se nivelaron las curvas batimétricas con el nivel montado y un estadal, para lo cualse colocaron a lo largo de cada curva batimétrica tramos de varillas a cada 50cm,los cuales se nivelaron con una precisión de 1.00mm, fijándolos una veznivelados con mortero cemento arena para evitar que fueran movidos.

5) Se unieron las varillas niveladas y fijadas con un cordón de mortero cementoarena, para simular la curva batimétrica.

6) Se coló la losa de entre cada curva batimétrica utilizando un concreto de f

c =

150kg/cm2 de aproximadamente 4cm de espesor.

7) Una vez terminada la construcción de la losa con dicha configuración que se le diopor la batimetría empleada, se construyeron los taludes del canal de acceso y dela dársena. Así como también del talud de transición entre la losa de configuracióny el generador de olas.

8) Finalmente después que se hizo el colado del talud de transición, se procedió apintar las zonas de batimetría, el canal de acceso, las dársenas, así como tambiénla construcción del rompeolas de protección.

Calibración del Modelo Hidráulico de Agitación de Oleaje: Para la operación del

modelo, se planteó programar ensayos como se muestran en la siguiente Tabla 11.






Tabla 11 Condiciones de los ensayos: Antes de iniciar los ensayos fue necesario calibrar elequipo de medición y el modelo con el objeto de garantizar una medicion adecuada y unarepresentación óptima del oleaje durante el estudio. La calibración del equipo de medicionconsistio en obtener para cada centímetro de desplazamiento dentro del agua del sensorutilizado en los ensayos una variación de voltaje correspondiente, la cual debería serconstante para cada desplazamiento hacia arriba y hacia abajo.

La calibración del modelo consistió en obtener el patrón de refracción del oleaje delprototipo en el modelo para los periodos de ola de 8, 15 y 21 seg para cada dirección deloleaje a representar en el modelo.

Una vez calibrado el modelo, se procedió a realizar los ensayos de agitación del oleajebajo las condiciones que se propusieron, como fueron:

1) Utilización del espectro frecuencial de Bretschneider – Mitzuyasu para lageneración del oleaje irregular que se utilizó en cada ensayo.

2) Se utilizó el Nivel de Bajamar Media para cada ensayo con elevación de 0.00m.

B) Modelo Tridimensional de Estabi l idad: Se realizó de la siguiente manera:

Definida la pendiente a reproducir el canal de olas, se procedió a demoler la losa que

estaba anteriormente en el interior del canal, como también se retiraron los rellenos de

arena excedentes existentes para posteriormente impermeabilizar el fondo y paredes de

dicho canal, a base de una capa de hidropimer y dos capas de vaportite con una

membrana de festerflex intermedia.






Posteriormente se realizó el relleno con arena para colocar los firmes correspondientes a

base de una losa de concreto simple, aproximadamente de 4cm de espesor. Dichos

trabajos se realizaron para reproducir en el interior del canal, la pendiente media del perfil

del fondo marino de 0.0006 frente a la sección del rompeolas, en una longitud de 16.01m

y un tramo de transición con pendiente de 0.057 con una longitud de 9.45m para poderligar el fondo del canal con la pendiente del fondo marino.

Construcción de los elementos de coraza: Para la construcción de las secciones

transversales del rompeolas se consideraron las dimensiones y peso de los elementos de

la coraza en prototipo, los cuales se transformaron en base a las escalas de líneas y

pesos correspondientes para obtener de esta manera las dimensiones y pesos de dichos

elementos a representar en el modelo hidráulico.

Para la construcción de los elementos de coraza de la estructura, se utilizó una mezcla

de cemento-arena-grava y ferrofest, que estaban elaboradas estas mezclas de acuerdo a

una proporción especial para lograr el peso requerido en el modelo hidráulico. Cadacomponente de dicha mezcla se seleccionó y se pesó cuidadosamente para dar la

proporción requerida.

Una vez elaborada la mezcla, se procedió a colar los cubos ranurados, los cuales

después de fraguar la mezcla, se verificó el peso de los cubos ranurados por pieza.

Selección de los elementos de la capa secundaria y núcleo: Para la selección de los

elementos de la capa secundaria compuesta por rocas de 1.49 Ton a 2.77 Ton en

prototipo, se utilizó grava en el modelo hidráulico, seleccionando los pesos de los

elementos (pieza por pieza), que estaban en el rango de los pesos requeridos. La

selección de los elementos del núcleo que estaba compuesto por rocas de 7.5 a 240 kg

de peso, resultaba demasiado laborioso pesar pieza por pieza por el rango de los pesos

requeridos en el modelo, por lo que se determinó representar como equivalencia de dicho

rango de pesos, el diámetro calculado con base al volumen de una esfera equivalente,

considerando un peso específico del material (piedra) a utilizar en el modelo de

2.6Ton/m3, con lo que se obtuvo lo siguiente:

De acuerdo con las relaciones anteriores y el rango de pesos del prototipo, se obtuvo para

el modelo hidráulico un rango de diámetros comprendido entre 4.4 y 14mm.

Construcción del rompeolas en el canal de olas: El tramo de los últimos 100m del

rompeolas a ensayar, se construyó de acuerdo con las secciones transversales indicadas

en el plano de proyecto, las cuales se dibujaron y cortaron sobre madera de triplay, una






vez que se cortaron, se colocaron sobre el fondo del canal, sirviendo como guías para

colocar el material del núcleo, capa secundaria y coraza hasta los niveles de proyecto.

Las secciones se construyeron considerando una coraza compuesta por cubos ranurados

de concreto de 10.40 Ton en prototipo y roca de 1.49 a 2.77 Ton para la capa secundaria

y roca de 7.5 a 240 kg para el núcleo, los cuales con base en las escalas de líneas y

pesos se transformaron para obtener los pesos de los elementos en el modelo, como se

indican en la Tabla 12.

Tabla 12.

Calibración del Modelo Tridimensional de Estabilidad:

Para realizar el estudio de estabilidad de los elementos de la coraza y del morro así como

también del rompeolas de protección, se planteó un programa de ensayos, considerando

una posición del rompeolas oblicua con respecto a la incidencia del oleaje, con el objetivo

de simular la dirección Norte del oleaje y otra posición paralela a la incidencia del oleajepara simular un ataque de la dirección Noroeste del oleaje.

Tabla 13.

El nivel del mar de + 2.5m no se consideró en la serie de ensayos que se realizó, ya que

los ensayos preliminares se realizaron en un canal de olas angosto, se observó un

rebasamiento de la corona de la estructura, situación por la cual se decidió omitir este






nivel del mar en el canal de olas, ya que al presentarse el rebasamiento no se podía ver

claramente el movimiento de los cubos de la corona al quedar prácticamente sumergida la

estructura debido a que las paredes de dicho canal no contaban con ventanas

transparentes de observación.

Condiciones de los ensayos: El estudio de la estabilidad del cuerpo y morro del

rompeolas del proyecto de ampliación, se realizó en un canal de oleaje con dimensiones

de 35.00m de longitud, 1.40m de altura y 4.70m de ancho. Dicho canal contaba con un

generador de oleaje tipo pistón, que era capaz de generar oleaje regular e irregular

acondicionado mediante un motor de 30KVA, cuyo control se efectuaba mediante

procedimientos electrónicos controlados con un equipo de cómputo.

Los extremos del canal contaban con playas amortiguadoras que absorbían la energía del

oleaje, las cuales funcionaban para limitar la ocurrencia de reflexiones en las secciones

transversales del rompeolas.

Para la medición del oleaje, se colocó un sensor de oleaje enfrente de las estructuras

ensayadas.

A continuación se muestran unos esquemas de las condiciones que se utilizaron

previamente antes de operar el modelo:






C) Modelo Bidim ensional de Estabi l idad: La construcción de este modelo sellevó a cabo de la siguiente manera:

Construcción del fondo marino: Después que se definió la pendiente que se iba a

reproducir en el canal de olas, se procedió a demoler la losa de configuración existente en

el interior del canal y se retiraron los rellenos de arena excedentes existentes, para

posteriormente impermeabilizar el fondo y las paredes de dicho canal a base una capa de

hidroprimer y dos capas de vaporitete con membrana de festerflex intermedia.

Posteriormente se realizaron rellenos con arena para colocar los firmes correspondientes

a base de una losa de concreto simple de aproximadamente 4cm de espesor. Dichos

trabajos se realizaron para reproducir en el interior del canal la pendiente media del perfil

del fondo marino frente a la sección del rompeolas en una longitud de 32.00m y con una

pendiente de 0.0006 y un tramo de 9.29m de transición con pendiente de 0.057 para

poder ligar el fondo del canal con la pendiente del fondo marino.

Construcción de los elementos de coraza: Se utilizó el mismo método que en el

modelo anterior.

Selección de los elementos de la capa secundaria y núcleo: Se utilizó el mismo

método que en el modelo anterior.

Construcción de la sección transversal del rompeolas: Para la construcción de la

sección transversal del rompeolas de protección en el canal de olas se utilizó el

procedimiento descrito en la construcción del rompeolas en el canal de olas del modelo

anterior. Dicha sección se construyó cuidadosamente respetando los rangos de pesos,

espesores de diferentes capas y elevaciones indicadas en el proyecto, utilizando para tal

efecto las escalas de líneas y pesos correspondientes.

La sección se desplantó sobre la losa de configuración del fondo marino colada

previamente, colocando el núcleo de la obra a base de roca con diámetro media de 4.4 a

14mm, dichos diámetros se calcularon de acuerdo con la expresión del anterior modelo.

Sobre el núcleo se colocó la capa secundaria a base de roca de 1.49 a 2.77 Ton (22.64 a

42.10gr en el modelo), colocando finalmente sobre la capa secundaria dos capas de

cubos ranurados de 158.07gr (10.40 Ton en prototipo), colocados al azar soltándolos

manualmente uno a uno desde una altura aproximada de 5cm simulando con ello el

trabajo de colocación que tuviesen con una grúa.

Programa de ensayos: Se realizaron los ensayos de estabilidad de los elementosconstitutivos de la coraza del rompeolas de protección como se especifica en la Tabla 14.






Tabla 14

Condiciones de los ensayos: El estudio de la estabilidad del cuerpo del rompeolas del

proyecto de ampliación se realizó en un canal de oleaje con dimensiones de 50.00m de

longitud, 1.20m de altura y 0.60m de ancho, el canal contaba con un generador de oleaje

tipo pistón, capaz de generar oleaje regular e irregular, que era accionado mediante un

motor de 30KVA, cuyo control se efectuaba mediante procedimientos electrónicos

controlados por un equipo de cómputo. Los extremos del canal contaban con playas

amortiguadoras que absorbian la energía del oleaje, las cuales funcionaban para limitar la

ocurrencia de reflexiones de las secciones transversales de los rompeolas.

Para la medición del oleaje, se colocó en el canal un sensor de oleaje frente a la

estructura ensayada.

Las condiciones de los ensayos fueron:

1) Los ensayos se realizaron tomando en cuenta el Nivel de Bajamar Media (N.B.M)y los niveles de tormenta de +1.70 y 2.50m.

2) En todos los ensayos se utilizó el espectro frecuencial de Bretschneider –

Mitzuyasu para calcular y generar las señales de oleajes utilizadas.

3) La altura de ola incidente se midió frente a la estructura a una profundidad de

20.62m ( 8.25m en prototipo).

4) Las secciones ensayadas se sometieron a diversas alturas de ola, incluyendo

alturas de ola superiores a la de siseño, asociadas éstas a un periodo de oleaje

determinado.






5) Despúes de terminados cada uno de los ensayos realizados en el modelo

hidraúlico, se cuantificaron los cubos que fueron movidos por el oleaje de su

posición inicial.

9. RESULTADOS EXPERIMENTALES, ALTERNATIVASDE SOLUCIÓN Y CONCLUSIONES.

Los resultados obtenidos de la modelación matemática de la agitación del oleaje en el

interior del puerto, se presentan en la Tabla 15 un resumen de los valores del coeficiente

de agitación en las zonas de atraque del puerto, obtenidas mediante la aplicación del

modelo numérico, para las direcciones Norte, Noreste y Noroeste del oleaje, asociadas

con periodos de 8, 15 y 21 seg.

De acuerdo con los resultados del modelo numérico de agitación del oleaje se obtuvieronlos siguientes resultados:

a) Para un oleaje incidente de 8 seg de periodo, la dirección Noreste presenta los

mayores coeficientes de agitación de 0.10 en las zonas de atraque para cruceros,

contenedores y graneleros, excepto en la zona de atraque para petroleros, cuyo

coeficiente máximo de agitación se presentó para la dirección Norte, alcanzando

un valor 0.15.

b) Para un oleaje incidente de 15 seg de periodo, las direcciones Norte y Noroeste

generaron los máximos coeficientes de agitación siendo de 0.15 en las zonas de

atraque para cruceros, contenedores y graneleros y de 0.20 en la zona de atraque

para petroleros.

c) Para un oleaje incidente de 21 seg de periodo, la dirección Noroeste generó los

coeficientes de agitación máximos, fueron de 0.15 para las zonas de atraque para

cruceros, contenedores y graneleros, excepto en la zona de atraque para

Petroleros cuyo coeficiente máximo de agitación fue de 0.20

De acuerdo con los puntos anteriores se puede decir que el oleaje del Noroeste conperiodo de 21 seg, provoca la mayor agitación del oleaje dentro del puerto, seguido por

las direcciones Norte y Noroeste, acontinuación dichos valores se muestran en la Tabla15.






Tabla 15.

A) Comp aración de los r esul tados de agi tac ión del oleaje entre el modelo

numéric o y el m od elo hi drául ico: En la Tabla 16 se muestran los resultados

comparativos entre los coeficientes de agitación obtenidos con el modelo numérico

de agitación del oleaje y los coeficientes de agitación promedio obtenidos a través

de mediciones realizadas en el modelo hidráulico. Del análisis de dicha tabla se

tuvo lo siguiente:

1) Los coeficientes obtenidos para la dirección NW del oleaje con el modelo numérico

y con el modelo hidráulico, muestran una buena concordancia, con un periodo de

ola de 21 seg y con periodos de ola de 8 y 15 seg, los coeficientes obtenidos con

el modelo hidráulico llegaron a ser en algunas zonas de atraque del doble del

corficiente obtenido con el modelo numérico.

2) Los coeficientes obtenidos con el modelo hidráulico para la dirección NE con los 3

periodos de ola considerados, resultaron ser en promedio del orden de 3 veces el

valor del coeficiente de agitación obtenido con el modelo numérico.






3) Los coeficientes de agitación obtenidos con el modelo hidráulico para la dirección

N y los 3 periodos de ola considerados, resultaron ser en promedio del doble de

los obtenidos con el modelo numérico de agitación.

Tabla 16.

4) El Oleaje del NW provoco la mayor agitación en el puerto, de acuerdo con los

valores del coeficiente de agitación obtenidos tanto con el modelo numérico como

con el modelo hidráulico, con periodos de ola de 8 y 15 seg, excepto para el

periodo de ola de 20 seg, donde los coeficientes obtenidos con el modelo

resultaron para la dirección N.

Presentación de la información experimental : Los resultados de

estabilidad obtenidos para la posición oblicua del rompeolas con respecto a la






dirección del oleaje se muestran en la Tabla 17. Y los resultados para la posición

del rompeolas paralela al oleaje se muestran en la Tabla 18.

Tabla 17.

Tabla 18.






Resul tados de los ensayos del Modelo Tridimensional de Estabilidad:

De acuerdo con los ensayos realizados se obtuvieron los siguientes resultados:

1) Posición del rompeolas oblicua al oleaje ( Dirección N )

Los cubos del morro y cuerpo del rompeolas se comportaron estables para todas las

condiciones de oleaje ensayadas.

Para los ensayos realizados con el N.B.M se presentó rebase del oleaje sobre el

coronamiento del rompeolas con olas mayores a 3.60m.

Para los ensayos realizados con un nivel del mar +1.70m, periodo de ola de 8seg y alturas

de ola de 2.36m a 3.72 m, se presentó rebase del oleaje sin alcanzar a mover la piedra

del coronamiento ni los cubos.

Para los ensayos realizados con un nivel de +1.70m, periodo de ola de 9 seg y alturas deola de 2.84m a 4.80m se presentó rebase del oleaje alcanzando a mover algunas piedras

del coronamiento, pero no hubo movimiento de cubos.

Para los ensayos realizados con un nivel del mar de +1.70m, periodo de ola de 11seg y

alturas de ola de 2.52m a 4.84m se presentó un rebase de oleaje alcanzando a mover

algunas piedras del coronamiento y algunos cubos de la última fila de la coraza.

2) Posición del rompeolas paralela al oleaje ( Dirección NW )

Los cubos del morro y el cuerpo del rompeolas se comportaron estables para todas las

condiciones de oleaje ensayadas y alturas de ola de diseño.

Para los ensayos realizados con un nivel del mar de +1.70m, periodo de ola de 8 seg y

alturas de ola de 3.56m a 3.72m se presentó rebase del oleaje, sin alcanzar a mover la

piedra del coronamiento ni los cubos del cuerpo y morro del rompeolas.


alturas de ola de 2.84m a 4.80m se presentó rebase del oleaje, alcanzando a mover

algunas piedras del coronamiento pero no hubo movimiento de cubos en el cuerpo y del

morro del rompeolas.


alturas de ola de 4.00m a 4.84m se presentó rebase del oleaje, alcanzando a moveralgunas piedras y cubos del coronamiento del rompeolas.

3) Conclusiones

De acuerdo con los resultados indicados en los puntos anteriores, se concluye que los

cubos ranurados de concreto de 10.4 Ton, se consideraron en el proyecto para la coraza






del morro y el cuerpo del rompeolas estables, aun para una altura de ola mayor de 4.80m

superior a la de diseño (4.25m).

Alternat ivas y resul tados de los ensayos d el Modelo Bidimensional deEstabilidad:

Alternativas ensayadas: Para la optimización de la sección transversal del rompeolas de

protección, se consideraron las siguientes alternativas:

Alternativa 1: Sección original de proyecto, estaba compuesta por una estructura a base

de un núcleo de roca de 7.5 a 240 kg de peso, colocada con un talud de 1:5:1, con una

capa secundaria que estaba compuesta por rocas de 1.49 a 2.77 Ton de peso y una

coraza a base de 2 capas de cubos ranurados de concreto de 10.4 Ton de peso.

Alternativa 2: Sección original de proyecto, se modificó únicamente el desplante de las

dos capas de cubos de la coraza por medio de una berma, compuesta por cubosranurados de concreto de 7.8 Ton y se ensayó a las profundidades de 3.37m, 4.99m y

6.62m respectivamente.

Alternativa 3: Sección original de proyecto, se sustituyó únicamente la primera capa de la

coraza de cubos ranurados de concreto de 10.4 Ton por cubos ranurados de concreto de

7.8 Ton.

Alternativa 4: Sección original de proyecto, se modificó únicamente el desplante de las

dos capas de cubo de coraza por medio de una berma, compuesta por rocas del mismo

peso de la capa secundaria (1.49 a 2.77 Ton) y se consideraron las profundidades de

- 2.00m , -3.00m y -4.00m respectivamente.

Alternativa 5: Sección original de proyecto, se sustituyó únicamente las dos capas de la

coraza de cubos ranurados de concreto de 10.4 Ton, por cubos ranurados de concreto de

7.8 Ton de peso.






Presentación de la inform ación experimental

Los resultados de los ensayos de estabilidad de los cubos ranurados de concreto de la

coraza de la sección transversal del rompeolas de protección que se obtuvieron durante

los ensayos de las alternativas propuestas, se muestran en las siguientes tablas:

Tabla 19. (Alternativa 1)






Peso de los elementos d e la berma

El peso mínimo requerido para los elementos individuales de enrocamiento para la bermase calculó con el método por Tanimoto, el cual se basa en una fórmula similar a la de

Hudson, la cual se expresa como:

Tabla 24.

De la tabla anterior Tabla 24. se puede observar que la altura y el ancho de la berma

tiene influencia en el peso de los elementos constitutivos de la misma, eso es, mientras

más ancha y alta es la berma, los pesos requeridos de enrocamiento son mayores.

Tomando en cuenta el peso mínimo de 1.49 Ton para el enrocamiento propuesto para laberma, se tuvieron las siguientes alternativas para el dimensionamiento de la misma,

señaladas en la Tabla 25.





Tabla 25.

Se observó que al incrementar la altura de la berma a más de 4.00m, el rebasamiento del

oleaje sobre el coronamiento del rompeolas aumentaba, por lo que de acuerdo con lo

anterior y con objeto de evitar el rebasamiento excesivo del oleaje, se optó por

seleccionar una berma de 3.25m de alto y 3.88m de ancho para el cuerpo del rompeolas

Conclus iones f inales

De acuerdo con los estudios de agitación de oleaje y estabilidad de los elementos de

coraza del rompeolas de protección se obtuvieron las siguientes conclusiones:

Los taludes de dragado de 3:1, 1:1 y verticales considerados para el canal de acceso y

dársena, probaron tener poca influencia en la penetración de oleaje en el puerto.

Para las tres direcciones de oleaje ensayadas, N, NE y NW, el periodo de ola de 8 seg

provocó los menores coeficientes de agitación en el interior del puerto.

El oleaje del NE provocó los mayores coeficientes de agitación en el canal de acceso

frente al morro del rompeolas, debido al choque del oleaje sobre el rompeolas de

protección, el cual por su posición perpendicular al canal, conduce el oleaje hacia el

centro del mismo.

De acuerdo con los resultados anteriores se puede decir que las zonas de atraque

consideradas en el proyecto quedarón prácticamente protegidas para los diferentes

oleajes del N, NE y NW estudiados ya que la operatividad del puerto fue del 93.11%

equivalente a 340 días al año.

modelos hidráulicos de agitación de oleaje y estabilidad de un rompeolas

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