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LABORATORIO N°4 CLIMA DE OLAS De La Trinidad Smichovsky Diego Stefano | Taller de Obras Hidráulicas | 08/07/17

INTRODUCCIÓN: Las tres cuartas partes de la superficie del planeta tierra están cubiertas por los océanos, los cuales almacenan el 97.26% del total de los recursos hídricos existentes. Estas masas de agua almacenada están sometidas al sistema general de circulación generado por la acción de los rayos solares, la rotación de la tierra y las características físico-químicas del agua salada. La circulación general se manifiesta en forma de corrientes principalmente. También influyen sobre el comportamiento de las masas de agua las acciones locales que están reguladas por el relieve del fondo, la cercanía a los continentes y las condiciones meteorológicas. Entre estas acciones sobresalen los sismos, las mareas y los oleajes debidos al viento. Eventos naturales como los sismos inducen la formación de unas olas conocidas como tsunamis o maremotos, los cuales han producido efectos catastróficos en diversas zonas costeras del mundo. Las magnitudes de los oleajes están asociados con las tormentas que se originan por la velocidad y la dirección de los vientos. En las zonas de latitud media las características de los vientos son influenciadas por las fuerzas Centrípeta y de Coriolis y ocasionan la formación de ciclones o huracanes durante algunos meses del año. Por su parte las mareas dependen de la relación sol-luna-tierra. La Hidráulica Marítima tiene como objetivo el análisis y la cuantificación de los fenómenos que se producen en las aguas marítimas que tienen influencia sobre proyectos específicos de navegación, construcción de puertos, facilidades turísticas o protección de playas y zonas costeras. En el curso se dan las bases para el conocimiento de la importancia que tienen las olas y las mareas dentro de los diseños de obras costeras, y se recomienda la bibliografía que amplía el conocimiento de los temas tratados. Las olas del mar son generadas por vientos, por sismos o por la acción del sol y la luna. Las producidas por sismos son olas de gran longitud de onda que se generan en mar profundo y desarrollan su poder destructor cuando alcanzan las aguas poco profundas de las costas; se conocen como Tsunamis. El sol y la luna son responsables de la formación de las olas de marea que son eventos predecibles tanto en magnitud como en tiempo. El oleaje que se forma por la acción del viento viaja por el mar en "Trenes" que contienen olas de diferentes tamaños y períodos. La longitud del tren y las magnitudes de las olas dependen de la velocidad del viento y de la localización y el tamaño del área sobre la cual sopla el viento. Las olas que llegan a la costa ejercen fuerzas sobre las estructuras que encuentran en su recorrido. Estas estructuras son muros verticales, rompeolas, columnas o cuerpos sumergidos. Para determinar las magnitudes de las fuerzas es necesario conocer las características de las olas que llegan a las estructuras; estas características son Amplitud, Período y Dirección, las cuales se calculan teniendo en cuenta las condiciones en que se generaron las olas, las pérdidas de energía en su recorrido hasta las estructuras y las modificaciones que sufren por refracción y difracción. Los trenes de olas se representan por medio de una ola característica que se llama "Ola Significativa".

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PROBLEMATIZACION: Dado que en la naturaleza es complicado determinar con precisión las características exactas del comportamiento de las olas, es imprescindible apoyarnos en la simulación a escala reducida de olas; en el canal de pendiente variable de la URP; con el fin de determinar de una mejor manera dichas características.

OBJETIVOS: GENERAL: -

Determinar las características del oleaje (Tabla de Wiegel) a partir de un modelo a escala reducida. Diseñar un rompeolas de material tetrapod, para otorgar aguas calmas y asegurar la protección de costas marinas.

ESPECÍFICOS: -

Determinar el período, altura de una ola, la longitud de una ola en aguas bajas. Obtener la celeridad de las olas. Obtener la pendiente de la ola.

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FUNDAMENTO TEÓRICO: LAS OLAS: Las olas se generan cuando sopla el viento sobre la superficie de agua y le transmite la energía. La superficie de agua donde sopla el viento, se llama área de generación (fetch). La extensión, la profundidad y los parámetros de viento (dirección, velocidad y duración) determinan la altura y periodo de las olas. Generalmente vientos fuertes soplando en grandes áreas de generación producen alturas de olas con grandes periodos.

En el área de generación las olas se llaman de viento y tienen un intervalo de periodos y alturas grandes. Esto produce una pauta de olas de alturas irregulares. Al salir de la zona de generación las olas continúan propagándose y las olas de periodos cortos van desapareciendo de tal forma que a gran distancia las olas son de periodos largos, alturas moderadas y más regulares, se llama mar de fondo. La primera fase se denomina "olas capilares”. Cuando la superficie pierde toda su lisura, la fricción es más intensa y aparece la segunda fase, que son las olas gravitatorias. La parte más elevada de las olas se denomina cresta y la zona más profunda se llama valle o seno. También se sabe que en la formación de las olas existen dos movimientos: la oscilación circular de la onda y la propagación de dichas ondas hacia delante.

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Cuanta más alta sea la ola, mayor energía del viento toman. También es importante decir que a cierta profundidad las aguas parecen quitas. Las causas del origen de las olas son: -

El efecto del viento sobre la superficie del mar (la causa más común de todas).

-

Tsunamis, maremotos.

-

Mareas (en China las mareas producen una vez al mes unas olas denominadas “El Dragón de Plata”)

-

Corrientes.

-

Erupciones volcánicas.

EFECTOS DE LAS OLAS SOBRE LAS COSTAS:

Las olas pueden tener dos efectos distintos sobre las costas: -

Efecto destructivo: Cuando las olas son grandes y de periodos prolongados,

pueden llegar a mover el sedimento, erosionando la playa. Efecto constructivo: Cuando las olas son pequeñas y de corta duración pueden mover un poco de sedimento, acumulando arena en algún sector, formando una playa.

PARAMETROS DE LAS OLAS:

Altura de la ola

H

Amplitud

A

Longitud de onda

L

Período

T

Frecuencia

F

Distancia vertical entre un seno y una cresta sucesivas Máxima desviación desde el nivel medio Distancia horizontal entre dos crestas sucesivas Tiempo que tardan en pasar dos crestas sucesivas por el mismo punto Número de crestas que pasan cada segundo por un punto fijo (f=1/T)

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Otros parámetros importantes son: Frecuencia angular Número de onda Celeridad

ω

Peralte

ε

Profundidad relativa Altura de ola relativa

k c

ω=

𝑘=

2π T 2π T

𝐿 𝑐= 𝑇 ε=

H L

𝑑 𝐿 𝐻 𝑑

Los parámetros anteriores definen la onda e intervienen en los cálculos que posteriormente se realizarán con el objeto de describir los estados del mar de la forma más apropiada posible.

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ROTURA DE OLEAJE:

La rotura del oleaje es quizá el fenómeno más espectacular que se produce en la cercanía de la costa. Es en la zona de rompientes donde se produce la mayoría de los procesos litorales, y la mayor parte de los que se deben al oleaje, se producen debido a su rotura.

Rotura de ola

En términos físicos, una ola en rotura es una ola cuya amplitud alcanza un nivel crítico, a partir del cual se desatan súbitamente ciertos procesos que producen una gran pérdida de energía. Una gran parte de los modelos que describen el comportamiento del oleaje no resultan válidos a partir de rotura, puesto que asumen un comportamiento lineal. El tipo de rotura que resulta más familiar es el que se observa junto a la costa. Debido a los procesos de asomeramiento, las olas se peraltan hasta que las crestas se desestabilizan, a causa de la componente horizontal de su velocidad, y caen (según el tipo de rotura). La rotura de oleaje puede ocurrir en cualquier lugar en que se den las circunstancias oportunas, incluso en alta mar, aunque es mucho más corriente en las playas u otros lugares de profundidad somera.

Rotura de pequeñas olas junto a la línea de orilla

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TIPOS DE ROTURA: Hay cuatro tipos básicos de rotura de oleaje: spilling, plunging, collapsing y surging. Se producen en orden creciente de pendiente del fondo, longitud de onda y periodo, y decreciente de altura de ola y peralte.

Tipos de rotura. Tomado de (Brown, Colling, Park, Phillips, Rothery, & Wrigh)

Spilling: En este tipo de rotura, se deprime y desestabiliza, transformándose en un roller sobre el frente de la ola, que adquiere un aspecto espumoso. Tiene lugar sobre todo en playas de pendiente suave.

Plunging: Es la forma más “dramática” de rotura del oleaje. La cresta de la ola gira sobre sí misma y se desploma hacia su pie, creando una considerable salpicadura. Tiende a producirse en playas de pendiente relativamente pronunciada.

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Surging: En playas muy empanadas se da este tipo de rotura, en la cual la ola avanza sin llegar a romper, deformándose y alisándose desde el fondo. El frente de ola avanza hacia la cresta, produciéndose reflexión.

Collapsing: Este tipo de rotura se encuentra a caballo entre el plunging y el surging. La cresta nunca llega a romper, si bien su frente se peralta y colapsa, produciéndose espuma. Tensiones de radiación: Aunque no es propio de la rotura de oleaje, el concepto de tensión de radiación es fundamental a la hora de evaluar la corriente producida por el oleaje, como se verá más adelante. Las tensiones de radiación son las fuerzas por unidad de área que surgen debido al exceso de flujo de momento producido por la presencia del oleaje. Simplificando el problema, existe más flujo de momento en la dirección de avance del oleaje por el hecho de que la velocidad toma la dirección de la propagación bajo la cresta de la ola y la opuesta bajo el seno. Al mismo tiempo, la presión es mayor bajo la cresta que bajo el seno, como es evidente, lo que conduce a una tensión neta a lo largo de un periodo. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE: Descripción estadística: La descripción estadística del oleaje se basa en un análisis pormenorizado, ola por ola, del registro de estado del mar. En la figura 24 se observa un registro de oleaje en el cual, con una serie de criterios, se separan las olas, obteniendo para cada una su altura, H, periodo, T, longitud, L, etc.

Parámetros representativos del oleaje. Tomado de (CEM, 2.001) De esta manera se obtendrá una muestra, consistente en una serie de datos representando cada una de las características de cada una de las olas. Y es en esta muestra en la que se

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obtienen los parámetros estadísticos que representan el estado del mar. Parámetros como la altura de ola significante, la altura de ola media cuadrática, altura de ola media, altura de ola máxima, periodo de paso por cero, etc., que se describen en los apartados siguientes.

Altura de ola significante: Tradicionalmente, se ha definido la altura de ola significante como aquella que percibe un observador habituado al mar. Es uno de los parámetros característicos del oleaje más importantes. Fue definida por Sverdrup y Munk (Sverdrup & Munk, 1.947), intentando establecer una correlación entre las alturas medidas y las informadas por marineros (de ahí la afirmación del párrafo anterior). Para calcularla, supóngase que se ordena de mayor a menor el registro de oleaje. Pues bien, la altura de ola significante, denotada como Hs o H1/3, es la media aritmética del tercio de olas más altas del registro. Es decir, si un registro de oleaje contiene las siguientes alturas de ola (en metros): 6, 6, 5, 4.5, 4, 3.5, 3, 3, 3, 2, 2, 1.5, el tercio de olas más altas son las cuatro primeras, y su media aritmética, la altura de ola significante del temporal, es decir:

Altura de ola media cuadrática: Algunos autores sostienen que es la ola que mejor representa la energía de un estado del mar. Su expresión es la siguiente:

TEORIA DE AIRY:

Es la teoría de oleaje más simple, también denominada teoría de Airy. Aunque con limitaciones a su aplicabilidad, la teoría lineal puede ser muy útil si las hipótesis de partida se cumplen: -

El agua es homogénea e incompresible; (lo que implica que la densidad ρ, es constante. La tensión superficial puede ser despreciada.

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-

El efecto de Coriolis debido a la rotación de la tierra puede ser asimismo despreciado. La presión en la superficie libre del mar es uniforme y constante. El agua del mar carece de viscosidad. No existe interacción del oleaje con ningún otro movimiento marino. El flujo es irrotacional. El fondo del mar constituye un límite horizontal, fijo e impermeable, lo que implica que la velocidad vertical en él es nula. La amplitud de onda es pequeña y su forma es invariable en el tiempo y espacio. Las ondas son planas (de dos dimensiones).

De las hipótesis anteriores, la 1ª, 2ª y 3ª pueden ser asumidas en la mayor parte de problemas de Ingeniería marítima. Las tres últimas han de asumirse necesariamente en la mayor parte de los problemas de Ingeniería Costera y Portuaria. Una conclusión de la 1ª hipótesis estriba en que las líneas de corriente en un fluido incompresible son paralelas. En efecto, la ecuación de conservación de masa dice que:

Si el fluido es incompresible, la densidad es constante, esto es ρ=0. Por lo tanto, la ecuación anterior se puede escribir:

Lo que quiere decir que la divergencia de la velocidad es nula, o lo que ese lo mismo, que las líneas de flujo son paralelas. El hecho de que el flujo sea irrotacional implica que el campo correspondiente deriva de un potencial es decir que puede escribirse, para las velocidades horizontal, “u” y vertical “w”, las siguientes ecuaciones:

La ecuación anterior implica que si se conoce el potencial ⏀(x,z,t) en todo el ámbito del estudio, se pueden conocer también las velocidades de las partículas.

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En general, la onda se caracteriza por su Longitud L, su altura H, su período T, y la profundidad, d sobre la que se propaga.

Así mismo existen distintas teorías sobre ondas, en la siguiente imagen se mostrará una comparación de las mismas.

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ROMPEOLAS:

Los rompeolas son barreras que se interponen entre el mar o un lago y la costa e interrumpen la fuerza de las olas para proporcionar aguas tranquilas a un puerto. Los rompeolas de rocas son preferidos como una solución de diseño porque sus pendientes causan que las olas rompan y por consecuencia que disipen energía Los rompeolas o escolleras están constituidos principalmente de rocas. Generalmente para las capas de protección son utilizadas rocas pesadas o unidades de concreto, las cuales protegerán la estructura del ataque de las olas. Las rocas de protección y los bloques de concreto son colocados con cuidado con la finalidad de obtener un mejor ‘interlocking’ (enclavamiento) y por consecuencia una mejor estabilidad. Diseño del Rompeolas: Comportamiento Estructural: El comportamiento estructural de un rompeolas se refiere al estudio de los estados límites últimos de la estructura, los cuales pueden condicionar otros estados ya sean estructurales o funcionales, que podrían llevar al colapso de la obra. Dada la importancia o las consecuencias que tienen la falla parcial o total de la estructura es necesario conocer sus modos de falla.

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN ROMPEOLAS: Entre los factores de selección sobre un tipo de rompeolas, estos incluyen los costos, el material y la disponibilidad local de los materiales. Los rompeolas de rocas son mejores disipadores de energía.

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Materiales Para el diseño del rompeolas, se tomara en cuenta los tetrapods colocados con densidad de 2650 kg/m3.

DIMENSIONAMIENTO ESTRUCTURAL ROMPEOLAS Se procederá a calcular los distintos elementos que componen los rompeolas en estudio. Se expondrá la formulación a utilizar, luego se procederá al cálculo de los elementos del tronco y cabeza de ambas estructuras.

ROMPIENTE DE LA OLA En el lugar donde la profundidad es menor que tres veces la altura de ola equivalente en aguas profundas, se debe considerar la deformación de la altura de ola por rompiente. Para estimar la deformación de la altura de ola, normalmente se toma en consideración la irregularidad del oleaje.

TALUD DE LA ESTRUCTURA Por consideraciones practicas se utilizó un talud de 2:1 (H:V). Por lo tanto se calculará el ángulo del talud de la estructura con la siguiente ecuación: 1

α = 𝑡𝑎𝑛−1 ( ) = 26º 2

Dónde: α: Angulo talud rompeolas con respecto al plano horizontal. Por lo tanto para el diseño de ambos rompeolas se utilizará un talud de 2,5:1 (H:V) para los lado mar y puerto.

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ECUACION DE HUDSON La ecuación de Hudson , también conocida como la fórmula de Hudson , es una ecuación usada por los ingenieros costeros para calcular el tamaño mínimo de escollera (bloques de armadura rock) requerido para proporcionar satisfactorias características de estabilidad para escombros estructuras tales como rompeolas bajo ataque del tormentas La ecuación fue desarrollada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos , Estación Experimental de Vías Acuáticas (WES), después de extensas investigaciones de Hudson (1953, 1959, 1961a, 1961b).

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W es el peso de diseño de la armadura de riprap (Kg) γr es el peso específico de los bloques de la armadura (kg/m3) H es la altura de la onda de diseño en el dedo del pie de la estructura (m) Kd es un coeficiente de estabilidad adimensional, deducido de experimentos de la boratorio. Δ es la densidad flotante relativa adimensional de la roca, es decir (rr/rw-1) rr y rw son las densidades de roca y agua de mar. ⊖ es el ángulo de revestimiento con la horizontal.

CALCULO DE ESPESORES: Coeficiente de capa y porosidad promedio de la coraza.

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er=Espesor promedio de la coraza (m) Nr=Número de capas de los elementos de la coraza. W=Peso de cada elemento (gr) Wr=Peso específico del material (gr/m3)

MATERIALES UTILIZADOS:

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Canal de pendiente variable

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Cronómetro

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Regla metálica

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Generador de olas

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO: -

Se llena de agua el canal de pendiente variable.

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Luego se generan las olas con ayuda del generador de olas

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Luego se procede a la toma de datos como son altura de ola, profundidad, periodo, etc.

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CÁLCULOS Y RESULTADOS: -

Determinación de la Altura significante y manejo de datos:

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Determinación de la Altura media cuadrática:

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Determinación de los parámetros de las olas (Tabla de Wiegel):

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Diseño del rompeolas: -

Peso de los elementos de la coraza: Al valor W se le multiplicará por un factor de amplificación de 1.25 por recomendación del Shore Protection Manual.

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Peso de los elementos de la capa secundaria: Se tomará el valor entre el rango de W/20 y W/10.

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Cálculo del espesor de la coraza:

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Cálculo del espesor de la segunda capa:

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CONCLUSIONES: -

De la tabla de Wiegel se concluye que efectivamente debido a la pendiente muy baja se comprueba el tipo de rotura de Spilling.

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Con las fórmulas se evidencia el fenómeno, la profundidad de nuestro ensayo es baja.

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El peso del elemento Tetrapod, es congruente con el peso aproximando del material en el rompeolas del laboratorio.

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Las celeridades de los ensayos nos evidencian que efectivamente, nuestras ondas son largas.

RECOMENDACIONES: -

Se recomienda tener rapidez y precisión en la toma de datos, con el fin de obtener resultados más precisos.

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Se recomienda mayor investigación de las fórmulas que expliquen el fenómeno de clima de olas, dado que es un tema que presenta varias variantes según el tipo de olas que se analiza.

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A escala real, se trabaja con elementos Tetrapod hechos de concreto, es por esto que se recomienda trabajar con la densidad del concreto en vez de la de 2650 kg/m3 otorgada en el laboratorio.

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