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UNIVERSIDAD SAN PEDRO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

PUERTOS: “OLAS”

A) CARACTERISTICAS DE LAS OLAS:

Las olas en el agua son causadas por una perturbación de las superficies de la misma. La perturbación original puede ser causada por el viento, los botes o los barcos, los temblores de la tierra o la tracción gravitacional de la luna y del sol. Las olas formadas por los barcos o botes en el movimiento son las estelas. Las olas formadas por las perturbaciones de los terremotos son los tsunamis. Las olas formadas por la atracción gravitacional de la luna y del sol son las mareas. Después de que se forman las olas, se pueden propagar por la superficie del mar recorriendo miles de millas. Las propiedades de las olas que se propagan han sido tema de diversas teorías sobre el particular durante un siglo. Para los ingenieros la teoría más útil sobre las olas de la lineal o de las olas de pequeña amplitud.

a) TEORÍA LÍNEA DE LAS OLAS

En esencia, la teoría lineal de las olas solo trata un tren de olas de la misma longitud y periodo en una profundidad constante de agua. Como en la óptica a esto se le llama un tren monocromático de olas. La teoría lineal de las olas relaciona la longitud el periodo y profundidad de las olas como se indican mediante la ecuación (23.1).

DONDE:

L = Longitud de la ola, ft; la distancia horizontal entre las crestas. D= distancia vertical, ft; entre el nivel medio o del agua tranquila y el

fondo G= aceleración de la gravedad,32.2 ft/s T= periodo de las olas, tiempo requerido para la propagación de las

cresta de una ola sobre la longitud de la misma.

Las alturas de la ola, H, el cuarto valor necesario para definir por completo un tren monocromático de olas , es un valor independiente en la teoría lineal en las olas pero no para la teoría de orden más alto de las olas.

La ecuación (23.1), implícita en términos de L, requiere una solución interactiva, excepto para aguas profundas o poco profundas. Cuando la profundidad relativa

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de minúscula D/L es mayor que ½ la ola se produce en agua profunda y la ecuación (23.1) queda:

Para agua poco profunda, d/L

Figura 23.1 Ola en agua profunda. Las partículas de agua siguen una trayectoria elíptica. L. Indica la longitud de la ola, cresta a cresta; H es la altura de la ola, d es la profundidad desde el nivel del agua tranquila hasta el fondo. El periodo T de la ola es el tiempo para que esta recorra la distancia L.

Cada una de las partículas de agua sigue una órbita cerrada. Regresan al mismo lugar con cada ola que pasa. En agua profunda, las orbitas son circulares y, en la poco profunda son elípticas.

b) TEORÍAS DE ORDEN SUPERIOR DE LAS OLAS

La teoría lineal de las olas proporciona aproximaciones adecuadas de la cinemática y la dinámica del movimiento de las olas, para muchas aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, algunas áreas de interés para los ingenieros civiles, en donde la teoría lineal no resulta adecuada, son olas muy grandes y agua poco profunda. Teorías de orden superior de las olas, como las teorías de segundo orden de Stokes y la conoidal de las olas, manejan estas importantes situaciones. Empero, las teorías numéricas de las olas se pueden aplicar con mayor amplitud. Se dan tablas útiles de la teoría de la función de corriente de las olas que es una teoría numérica, de orden superior.




La determinación de las elevaciones de la superficie del agua para las olas grandes o las olas en agua poco profunda requiere el uso de una teoría de orden superior de las olas.

En la figura 23.2 se muestra una forma típica de ola. La cresta de la ola forma un pico más angosto y el seno es más plano que para el perfil senoidal de la superficie del agua de la teoría lineal. P ara un fondo horizontal, la altura de la cresta de la ola hacia arriba del nivel del agua tranquila es un máximo de alrededor de 0.8 d.

c) TRANSFORMACIÓN DE LAS OLAS

A medida que las olas se mueven hacia la costa, dentro de profundidades variables del agua, el periodo de las mismas permanece constante (hasta el rompimiento). Sin embargo, la longitud y la altura de las olas cambia debido a la disminución de la profundidad, la refracción, difracción, la reflexión y el rompimiento de las olas.

DISMINUCIÓN DE LA PROFUNDIDAD: Conforme una ola se mueve hacia agua menos profunda, su longitud disminuye, como lo indica la ecuación:




Y su altura aumenta. El aumento en la altura de la ola se expresa por el coeficiente de disminución de la profundidad, Ks.

Ks varía como función de la profundidad relativa d/L, como se muestra en la tabla 23.1.

Para un tren incidente de olas de periodo T, se puede usar la tabla 23.1 para estimar la altura y la longitud de la ola en cualquier profundidad con la ecuación 23.2 para L0.




REFRACCIÓN: Este es un término, tomado de la óptica, para el encorvamiento de las olas conforme retardan su movimiento. A medida que las olas se aproximan a una playa formando un ángulo, una parte de la ola se encuentra en agua menos profunda y se mueve con mayor lentitud que el resto. Vista desde arriba, la cresta de la ola parece que se encorva.

La refracción cambia la altura de las olas así como la dirección de propagación. La refracción puede causar que la energía de las olas se enfoque en los cabos y desenfoque de las ensenadas.

Existen dos tipos generales de modelos de refracción. Los modelos de rayos de las olas siguen el rastro de los rayos de las olas, que son líneas perpendiculares a las crestas de estas últimas. El otro tipo de modelo de la refracción de computadora calcula soluciones para ecuaciones diferenciales correspondientes al campo de alturas de las olas. La física simulada varía ligeramente de modelo a modelo

DIFRACCION: Otro término de la óptica aplicado aquí se refiere a la dispersión de la energía a lo largo de la cresta de una ola. Un ejemplo de ingeniería de difracción de las olas es la dispersión de la energía alrededor de la punta de un rompeolas, hacia el lado de sotavento de este. La cresta de la ola se enrolla alrededor de la punta de un rompeolas y parece que se está propagando alejandondose de este punto.

También se obtiene difracción en aguas abiertas, en donde ocurre la refracción. Puede reducir el enfoque y el encorvamiento debido a la refracción

REFLEXION: Las olas son reflejadas por las obstrucciones que encuentran en su trayectoria. La reflexión de la energía de las olas es máxima en los muros verticales (90-100%) y minina para las playas y las estructuras de piedra bruta. Las condiciones indeseables de energía de las olas en las darcenas para embarcaciones pequeñas, con muros verticales, a menudo se puede reducir colocando piedra bruta en el nivel de agua.

ROMPIMIENTO: Esto sucede constantemente a lo largo de una playa pero la mecánica no está bien modelada por la teoría: por tanto, gran parte de nuestro conocimiento del rompimiento es empírico ,en el agua poco profundas, las aguas rompen cuando alcanzan una profundidad límite para cada una de ellas este rompimiento limitado por la profundidad es muy útil en el diseño de estructuras costeras y para los modelos de la dinámica de la zona de oleaje .para una ola por separado la profundidad limite es más o menos igual a la profundidad del agua y se encuentra en el rango dado por la ecuación :




en donde el (H/D)Max =relación máxima de la altura de la ola a la profundidad debajo del nivel medio del agua para una ola que rompe.

La variación en (H/D)b, ( b significa rompimiento) se debe a la pendiente de la playa y a lo empinado H/L, de la ola. .Dada una estimación de la profundidad de diseño del gua en el lugar de la estructura, la altura máxima de las olas, Hmax, que puede existir en esa profundidad del agua es más o menos igual a la propia profundidad .cuales quiera olas más grandes ya abrían roto más alejadas de la costa y se habrían reducido a Hmax.

B) OLAS IRREGULARES

Estadística de la altura de las olas: En un mar típico, la ola por separado tiene alturas diferentes en las aguas profundas, las alturas siguen una distribución teoría de rayleigh. En las aguas pocas profundas entre más grande sea cada una de las olas rompen más pronto y, por consiguiente, se pierden la cola superior a la distribución.Un parámetro único de la altura de las olas que se usa comúnmente, es la altura significativa de las olas H 1/3. Esta es el promedio de la tercera parte con mayor altura de las olas.

C) ESPECTRO DE OLAS

Se cuenta con técnicas espectrales que describe la cantidad de energía a las diferentes frecuencias o periodos de las olas, en un mar irregular. Proporcionan más información acerca del tren irregular de ondas y se aplican en algunos de los métodos más avanzados de diseño de estructuras costeras, Un parámetro de altura de las olas que está relacionado.




Con la energía total de un mar es Hmn(con frecuencia, también se menciona

Hm0 como altura significativa de las olas). La altura significativa de las olas,

H s es un término usado desde hace mucho tiempo en la ingeniería de costas y en la oceanografía. En la ingeniería de costas se usan dos definiciones fundamentalmente diferentes de la altura significativa de las olas.

Una se basa en la estadística y la otra se basa en la energía o en el espectro. Como son diferentes, se recomienda usar las notaciones H 1 ¿3 y Hmo para evitar

confusiones en el uso de H s:

H 1 ¿3 = altura significativa estadística de las olas

Hm0 = altura significativa espectral de las olas

En aguas profundas, Hmo es aproximadamente igual a H 1 ¿3. En aguas poco profundas y, en particular, en la zona de olajes, los dos parámetros divergen. (Hay poco que sea verdaderamente significativo acerca de cualquiera de los dos parámetros. En un tren real de olas, unas cuantas de ellas tendrán la altura significativa. Básicamente, es un artefacto estadístico).

Las trasformaciones de los mares reales con olas, como la disminución de la profundidad, la refracción, la difracción y el rompimiento, no se han comprendido por completo y no se han modelado bien. Aun cuando las trasformaciones monocromáticas de las olas están bien modeladas, como se describe en lo antes expresado, en realidad las olas por separado y los trenes de las olas interactúan entre si y cambian el campo de las olas. (Estas interacciones de olas con las olas constituyen el tema de esfuerzos significativos de investigación.) Por tanto las condiciones más realistas, es decir, los mares irregulares, son los menos comprendidos. Sin embargo, se cuenta con modelos que toman en cuantas la trasformación de los espectros de olas a través de contornos arbitrarios del fondo.




D) GENERACIÓN DE LAS OLAS POR VIENTO

Las olas bajo la influencia de los vientos que las generan se llamar. Las olas que se han propagado más allá de los vientos iniciales que las generan se llaman oleada.

Distancia de acción del viento es la distancia que un viento sopla a través del agua. Para las bahías encerradas, esta es la distancia a través de la masa de agua en la dirección del viento. Duración es el viento que un viento, a una velocidad específica, sopla a través del agua. Las olas en cualquier sitio pueden ser de distancia limitada de acción del viento o de duración limitada. Cuando un viento empieza a soplar, las alturas de las olas quedan limitadas por el corto tiempo que el viento ha soplado, en otras palabras, son de duración limitadas. Los mares, que no son de duración limitadas, están plenamente levantados. Si la distancia de acción del viento limitas las olas, entonces son de distancia limitada de acción del viento.

Para lugares en bahías encerradas y lagos, modelos paramétricos sencillos pueden proporcionar información útil cerca de las olas. En la tabla 23.3 se dan estimaciones de la altura de las olas y de su periodo, para aguas profundas, para distancias de acción y velocidades del viento diferentes.

Los valores están basados en la hipótesis de que el viento sople durante un tiempo suficiente como para generar condiciones de levantamiento pleno. En agua poco profunda, las alturas de las olas serán menores.




En el océano abierto, las olas casi nunca son de distancia limitada. Son libres de seguir moviéndose después de que el viento cambia o cesa. La energía de las oleadas puede propagarse de uno al otro lado de los océanos enteros. Las olas que chocan contra la playa en cualquier momento pueden incluir oleadas provenientes de varios lugares diferentes, más un mar del viento local. Por tanto para una situación de océano abierto se requieren modelo numérico que cubran con una rejilla todo el océano, para seguir la pista a la propagación de la energía de las olas y a la generación local.Los modelos de generación de las olas pueden pronosticar estas últimas para las operaciones de construcción de dársenas para naves pequeñas. También pueden hacer un estudio retrospectivo; es decir, estimar las olas con base vientos medidos o estimados en tiempos pasados, para estudios climatológicos de las olas, diseños probabilísticos o análisis de comportamiento historio. En el waveinformation study (WIS) del U.S. Armicors Engineers se tienen 20 años de estudio retrospectivo de datos, 1956-1975, para generar estadísticas, de probabilidad de las olas, para cientos de lugares a los largo de las costas de Estados Unidos. Se obtiene la estadística de las olas en forma tabular y existen secuencias de tiempos reales de las condiciones de las olas en forma digital.




PUERTOS: “CARGAS SOBRE LOS MUELLES”

Una vez que se han determinado el tipo de muelles y sus características generales de construcción, es necesario establecer las cargas laterales y verticales para la que se va a diseñar ese muelle. Estas constan de los siguientes:

Fuerza de viento.- Los cabos de amarre los cuales tiran del barco hacia el muelles o a lo largo, o barcos tiran de amarre.




De éste, o bien, los sostienen contra las fuerza del viento o de la corriente, ejercen fuerzas laterales sobre ese muelle. La fuerza máxima del viento es igual al área expuesta, ft2, del costado del barco, cuando éste está descargado, multiplicada por la presión del viento, psf (pounds per square foot, libras por ft cuadrado), a lo cual se aplica el factor de forma de 1.3. Este último es un factor combinado que toma en consideración una reducción debida a la altura y un aumentó por la seducción en la banda de sotavento del barco. Las fuerza del viento varia con el lugar pero suele suponerse no menor de 10 ni mayor de 20 psf. Estas presiones corresponden a velocidades del viento alrededor de 55 a 78 mi/h, respectivamente basadas en la presión del viento p=0.00256 v2 , multiplicada por el factor de forma de 1.3, en donde p es

la presión, psf y v es la velocidad del viento, mi/h. Cuando los barcos están atracados en ambos costados de un atracadero, la fuerza total del viento que actúa sobre este último debida a esos barcos es igual a la de uno de ellos incrementada en el 50%, para tomar en consideración el viento contra el segundo barco. No vale la pena considerar una presión del viento mayor que 20 psf contra el costado de un barco, en el diseño de un muelle, porque un barco, cuando está descargado, no permanecería atracado a ese muelle en una tormenta que tiende a tener la intensidad de un huracán. El barco se pondría a la mar o cargaría lastre, para reducir su área expuesta al viento.

El viento contra la estructura de un atracadero y de un almacén o cobertizo de tránsito que estén sobre ese atracadero puede ser más severo que el viento contra el barco, ya que el área superficial puede ser más grande y mayor la intensidad del viento.

En este, debe tomarse el valor de la presión del viento para la velocidad máxima del mismo en la zona del puerto y aplicarse el factor apropiado de forma para el tipo de estructura que este en el atracadero. Este factor puede variar entre 1.3 y 1.6. La presión total del viento en una zona de huracanes, en donde la velocidad del viento se le da un valor de 125 mi/h, puede llegar a alcanzar hasta 64 psf.

Fuerzas de la corriente.- La fuerza de la corriente, psf, es igual a w v2/¿ 2g,

en donde w es el peso, lb / ft3 , del agua, v es la velocidad de la corriente, ft /s, y

g es 32.2 ft /s2. Para el agua salada esto conduce a presión, psf, igual a v2 . La

velocidad de la corriente suele variar entre 1 y 4 ft /s , lo cual da por resultado presiones de 1 a 16 psf, respectivamente. La presión de la corriente se aplica al área del barco debajo de la línea de flotación cuando el barco está completamente cargado. Como en general, los barcos se atracan paralelos a la corriente, esta fuerza rara vez es un factor de influencia.

Impacto.- El impacto de atraca es acusado por un barco al chocar contra el muelle al atracar. Por lo común se supone que el impacto máximo que debe considerarse es el producto de un barco completamente cargado (tonelaje de




desplazamiento) que choca contra el muelle formando un ángulo de 100 con el costado de estés, con una velocidad normal al

muelle de 0.25 a 0.5 ft /s (fig. 23.15). Se han diseñado unas cuantas instalaciones para un valor tan alto como 1.0 ft /s, pero esto puede ser excesivo,

corresponde a una velocidad de aproximación de alrededor de 312

nudos

formando un

En relación con el diseño contra el impacto, se supone que el barco choca contra el atracadero formando un ángulo de 100.

Angulo de las 10° con el costado del muelle, y un impacto y así podría dañar a un barco.Los sistemas de defensa se diseñan para absorber la energía de impacto de la atrapada. La fuerza resultante que debe de resistir un muelle depende del tipo de la defensa y de la construcción de esta y también de la del muelle, si este último está diseñado como una estructura flexible.

Fuerzas de temblores de tierra.- Se tienen que considerar estas, si un muelle se encuentra en una zona en donde pueden ocurrir perturbaciones sísmicas. La fuerza horizontal aplicada al centro de gravedad del muelle puede variar entre 0.025 y 0.15 de la aceleración de la gravedad, multiplicada por la masa. El peso que se debe usar es la carga muerta total más la mitad de la carga viva a menos que el muelle sea de construcción masiva o del tipo a gravedad, el efecto sísmico sobre el diseño sísmico por lo común será pequeño ya que el esfuerzo permisible, cuando se combinan los esfuerzos de las cargas muertas y vivas pueden incrementarse en un 33 1/3 %.Si los pilotes inclinados se usan para tomar fuerzas lateras ,deberán ser verificados para observar que puedan soportar la fuerza horizontal de un sismo sin aumento de carga




permitida de más de 33 ½ %;de lo contrario, tienen que colocarse pilotes adicionales.

Cargas por gravedad.- Estas constan del peso muerto de la estructura, o carga muerta, y la carga viva, la cual suele constar de una carga uniforme y las cargas de las ruedas de los camiones, los vagones y las locomotoras del ferrocarril, las grúas para manejo de la carga y equipo. La carga viva uniforme puede variar de 250 hasta 1000 psf sobre el área de la cubierta.

Se usa el valor más pequeño para los muelles petroleros y estructuras similares que manejan materiales a granel por transportador o tuberías y en donde la carga en general tiene una importancia secundaria. Los atracaderos para carga en general suelen diseñarse para cargas vivas más pesadas, que varían desde 600 hasta 800 psf. Los atracaderos en donde se manejan metales pesados, como los lingotes de cobre, pueden diseñarse para 1000 psf o más. La carga viva uniforme controla el diseño de los pilotes y los remates de estos. En tanto que las cargas concentradas de las ruedas, incluyendo las de impacto, suelen controlar el diseño de la loza y las vigas de la cubierta. A veces se hace una reducción del 33 1/3 de la carga viva uniforme al calcular los valores de las cargas en los pilotes y el diseñar los remates de los pilotes o las trabes, con base en la hipótesis de que toda el área de la cubierta de los vanos adyacentes no se carguen plenamente a la vez.




PUERTOS: “DIAGRAMAS”

FUERZAS QUE ACTUAN EN UN ROMPEOLA




PUERTO: “DIQUE”

Un dique es una construcción para evitar el paso del agua, puede ser natural o artificial, por lo general de tierra y paralelo al curso de un río o al borde del mar.

A) DIQUES ARTIFICIALES:

Los diques artificiales pueden ser utilizados para:

Prevenir la inundación de los campos aledaños a los ríos o mares; sin

embargo también se utilizan para encajonar el flujo de los ríos a fin de darle

un flujo más rápido. Son conocidos como diques de contención.

Proteger determinadas áreas contra el embate de las olas.

Forman caminos integrando un orden vial.

a) DIQUES DE CONTENCIÓN:

Estos diques tradicionalmente son construidos, amontonando tierra a la vera del río. Amplio en la base y afilados en la cumbre, donde se suelen poner bolsas de arena.

En el altiplano andino, particularmente en la región peruana, antiguamente se construían con "champas", trozos cuadrados de tierra vegetal, de unos 30 x 30 cm, con un espesor variable de unos 15 cm. Estas champas, sin eliminar la vegetación se colocaban invertidas, con la intención de que la vegetación al crecer, sobre todo en los bordes libres, consolidaría la estructura. Lamentablemente se ha verificado que el procedimiento no se ha demostrado muy eficiente, y se están lentamente sustituyendo estas estructuras de tierra por estructuras construidas técnicamente.


http://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3n

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aina%C5%BEi_North_Pier_2.jpg



b) DIQUES ROMPEOLAS

Defensa ribereña construida con champas.


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Partes_de_un_dique_en_tierra.JPG

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Muro_de_Champas_2b.JPG



Son estructuras artificiales creadas mediante superposición de capas de elementos de diferentes granulometrías y materiales encaminada a reducir la cantidad de energía proveniente del oleaje que entra en un lugar que se quiere abrigar, por ejemplo un puerto. Contrariamente a los diques de contención, no tienen una función de impedir la filtración del agua.

Existen diferentes tipologías de diques, también llamados espigones:

En talud

Vertical

Flotante, etc.

Los diques en talud tradicionalmente se han construido mediante un núcleo de todo uno, encima del cual se superponen capas de elementos de tamaño creciente separados por capas de filtro. Actualmente, los elementos mayores (que conforman los mantos exteriores) son piezas de hormigón en masa de diferentes formas (cubos, dolos, tetrápodos, etc), que sustituyen a la escollera. Los diques en talud resisten el oleaje provocando la rotura del mismo.

Los diques verticales están formados por cajones de hormigón armado que se trasladan flotando al lugar de fondeo y se hunden, para después rellenarlos con áridos, de forma que constituyan una estructura rígida. Las ventajas de este tipo de diques son que para una misma profundidad, requieren mucho menos material que los diques rompeolas, y que se pueden prefabricar. Sin embargo, presentan algunas desventajas como son que concentran su peso en una superficie menor, y por lo tanto requieren un suelo más resistente para su colocación; y que reflejan gran parte del oleaje que incide sobre ellos, aumentando los esfuerzos sobre la estructura y dificultando la navegación en las inmediaciones del dique vertical. Además, no presentan una rotura gradual como sus homólogos diques en talud cosa que provoca que se hayan de dimensionar para olas de más altura.

B) DIQUE NATURAL

Un dique natural resulta del depósito de material arrastrado por el río en el borde del mismo, durante las inundaciones. Esto va causando, progresivamente, la elevación de la ribera. Esto causa más inundaciones.


http://es.wikipedia.org/wiki/Puerto



ANEXO: “AEROPUERTO”


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