OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS

Transcripción

1 OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS TEMA 2. FORZADORES DEL OLEAJE 3. Oleaje de proyecto Jose Anta Álvarez UNIVERSIDADE DA CORUÑA ESCOLA TÉCNICA SUPERIOR DE ENX. CAMIÑOS, CANLES E PORTOS

2 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS: Presentar la necesidad de una correcta definición del oleaje de proyecto Estudio del proceso de generación de oleaje Descripción del oleaje a través de la teoría lineal de Airy Propagación del oleaje: procesos de someración, refracción y difracción Análisis estadístico del oleaje BIBLIOGRAFÍA DEL CAPÍTULO: Programa ROM. Recomendaciones para Obras Marítimas. Puertos del Estado. Introduction to Coastal Engineering and Managament. Kamphuis, J.W. (2000). World Scientific Beach Processes and Sedimentation. Komar, P.D (1998). Prentice-Hall

3 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

4 INTRODUCCIÓN ACCIONES DE DISEÑO EN INGENIERÍA MARÍTIMA Y PORTUARIA Viento Oleaje ACCIÓN MÁS IMPORTANTE!!! Marea Corrientes ESFUERZOS GENERADORES GRAVEDAD VIENTO Marea (astronómica) Corrientes Marea (meteorológica) Corrientes Corrientes Oleaje Corrientes

5 INTRODUCCIÓN Diferentes fuentes generación: diferentes T

6 INTRODUCCIÓN Ondas Progresivas vs Onda Estacionaria Descripción matemática del oleaje compleja: Teoría lineal del oleaje Teorías de orde superior (Kamphuis, 2000; ROM ; Documentos de referencia GIOC)

7 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

8 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE η = a cos(kx ωt) = H 2 cos(kx ωt) L / T a x / t H d

9 η = a cos(kx ωt) = TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE H cos(kx ωt) 2 k = 2 π L ω = 2 π T : número de onda; L=cT : frecuencia angular c c = L T = ω k : celeridad o velocidad de fase ω 2 = gk tanh(kd) RELACIÓN DE DISPERSIÓN

10 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c = L T = ω 2π ;ω = k ω 2 = gk tanh(kd) g T 2 π T c = tanh ( k d ) c = g T 2 π tanh ω d 2 g solución aproximada c = f (d,t ) f (H ) Importante en la generación y propagación del oleaje SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) c = g T 2 π d L > 1 2 kd = 2π L d > π th(kd) 1 th(kd)

11 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c = L T = ω 2π ;ω = k ω 2 = gk tanh(kd) g T 2 π T c = tanh ( k d ) c = g T 2 π tanh ω d 2 g solución aproximada c = f (d,t ) f (H ) Importante en la generación y propagación del oleaje SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE th(kd) Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) c = g T 2 π Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) c = g d d L < 1 20 kd = 2π L d < π 10 th(kd) kd

12 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE La energía total del oleaje suma de E c y E P E T = E c + E P = ρg H 2 8 J m 2 densidad de energía : integrada en una longitud de onda Al prograrse el oleaje, H cambia y la densidad de energía también Lo que no se modifica es el flujo o ratio en la que energía se propaga: P = ECn n = k d sinh 2 k d ( ) C g = Cn = C k d sinh 2 k d ( ) La energía del oleaje se propaga con distinta celeridad que la onda solitaria: CELERIDAD DE GRUPO C g

13 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c g = c k d sinh 2 k d ( ) CELERIDAD DE GRUPO SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE d sh(kd) Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) c c g = = 2 g T 4 π Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) c g = c = g d d 0 sh(2kd) 2kd

14 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c = L T k = 2 π L ω = 2 π T η = a cos(kx ωt) = ω 2 = gk tanh(kd) H cos(kx ωt) 2 H E = ρg 8 2 c = g T 2 π tanh ω d 2 g Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) c = c = g T 2 π g T 2 π tanh( k d) c g c 2 k d = sinh d c c g = = 2 g T 4 π ( ) 2 k Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) c = g d c g = c = g d

15 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

16 GENERACIÓN DEL OLEAJE TIPOS DE OLEAJE Oleaje en Aguas Profundas / Aguas Someras Oleaje de viento (Sea) / Oleaje de Fondo (Swell) Oleaje Regular (monocromático) / Oleaje Irregular

17 GENERACIÓN DEL OLEAJE ESTADO DEL MAR Combinación de dos problemas de distinta naturaleza: Generación: El viento local hace crecer las olas. Mar de viento Propagación: Las ondas abandonan su región de nacimiento. Mar de fondo

18 GENERACIÓN DEL OLEAJE GENERACIÓN OLEAJE: MAR DE VIENTO Transferencia de energía atmósfera océano: ondas de capilaridad (1 cm) En la segunda fase la altura de onda crece por efecto de subpresión / sobrepresión en el valle/ cresta de la ola

19 GENERACIÓN DEL OLEAJE Crecimiento gobernado por: FETCH INTENSIDAD DE VIENTO DURACIÓN F OLEAJE TOTALMENTE DESARROLLADO: - crecimiento limitado por efectos de rotura, fricción, OLEAJE PARCIALMENTE DESARROLLADO

20 GENERACIÓN DEL OLEAJE PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO Se da lejos de la zona de generación Suavizado de la lámina de agua Agrupamiento de energía por ecuación de dispersión

21 GENERACIÓN DEL OLEAJE PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO

22 GENERACIÓN DEL OLEAJE MAR DE VIENTO MAR DE FONDO

23 GENERACIÓN DEL OLEAJE

24 GENERACIÓN DEL OLEAJE OLEAJE IRREGULAR

25 GENERACIÓN DEL OLEAJE MODELOS DE PREVISIÓN DEL OLEAJE La altura de ola (H) y su periodo (T) dependen: Velocidad del viento Duración (D), tiempo que sopla el viento FETCH, distancia sobre la que sopla el viento MODELOS PARAMÉTRICOS / ESPECTRALES

26 GENERACIÓN DEL OLEAJE Predicción Europa Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje

27 GENERACIÓN DEL OLEAJE Predicción Galicia Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje Mallas detalle con SWAN

28 GENERACIÓN DEL OLEAJE MÉTODO DE PREVISIÓN OLEAJE VIENTO: ROM Aguas profundas / Someras OTD / OPD L F = 9 i=1 9 r i

29 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

30 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE El oleaje se ordena por frecuencias: DISPERSIÓN Ondas solitarias con C Grupo con Cg Al acercarse a la costa la onda nota el fondo: - Someración - Refracción - Difracción - Rotura - Reflexión, H d = H 0 K S K R K D

31 SOMERACIÓN (SHOALING) PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Variación de la altura de ola al acercarnos a la orilla Aplicando conservación del flujo de energía P: K S = H H 0 = C g,0 C g

32 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE H = K H S 0 K S = C g,0 C g

33 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE REFRACCIÓN Variación del ángulo de incidencia del frente de ondas

34 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Diferencias en celeridades provocan giro del frente (C A <C B )

35 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE b 0 b Se produce una concentración de energía è cambios H H = H 0 b 0 b = H 0 K R

36 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN 1. Métodos Numéricos 2. Gráficamente : Tangente a circuferencia radio c Δt c Δt

37 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN 3. Ley de Snell: Batiméticas rectas y paralelas H = K R H0 cos α 0 KR = cos α α sin α C = sin α 0 C 0 α0

38 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE DIFRACCIÓN Expansión lateral en un bajo b 0 b Energia Tubo de Flujo: 1 b 0 8 H 2 0 ρgc g0 = b 1 8 H 2 ρgc g b 0 H Analizamos un frente: H

39 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Expansión lateral del oleaje. Típicamente detrás de cabos o diques

40 OLEAJE

41 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Cálculo simplificado: Ábacos Weigel en el SPM K D = H d H i

42 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Puerto de Barcelona

43 Oleaje Difracción

44 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE REFLEXIÓN K reflexión = Hr = Hi Er Ei Hincidente, Htransmitida Eincidente, Etransmitida Importante para agitación en bocanas Estudios iniciales Miche (1951) - Peralte - Pendiente del Lecho

45 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Fórmula unificada: Zanuttigh y Van der Meer (2006) Análisis de 4 familias de datos (CEM)

46 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE ROTURA DEL OLEAJE La teoría de Airy no se cumple en rotura Importante conocer la rotura Dinámica litoral : disipación energía, tte sedimentos Estructuras costeras: tipo rotura influye en estabilidad

47 Tipos de Rotura (Tema 1) PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Pendiente suvae, rotura gradual en tubo, oclusión aire Mucha pendiente, rotura brusca Rotura reflejante, en oscilación La pendiente es tan elevada que no hay rotura

48 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Tipos de Rotura ξ = m H L Parámetro Iribarren ξ b < < ξ < b 2 < ξb 2 Spilling Plunging Collapsing Surging ξ o < ξ < o 3.3 < < ξo 5 < ξ o 3.3 Spilling Plunging Collapsing Surging

49 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Rotura en plunging/collapsing (voluta/colapso) Rotura en spilling (descrestamiento / disipativa) Rotura en surging (reflejante)

50 Criterios de rotura PROPAGACIÓN DEL OLEAJE H L H d b = b b = b Rotura en profundidad Rotura en la orilla (McCowan, 1891) H d b b = 0.56 e 3.5 m Kamphuis (oleajeirregular) H L b b 2πd = 0.14 tanh Lb b c m c m = m 1.3 Madsen(1979)

51 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

52 CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO Caracterización del oleaje a largo plazo en la ROM para: 1. Conocer número horas año que estructura opera 2. Conocer los esfuerzos máximos de diseño Régimen medio Solicitaciones medias Caracterización año medio Régimen de explotación (p.ej. rebase) - Nº horas/año que es operativo P[ H < H C ]

53 CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO Caracterización del oleaje a largo plazo en la ROM para: 1. Conocer número horas año que estructura opera 2. Conocer los esfuerzos máximos de diseño Régimen extremal Solicitación máxima en N años (vida útil) P H max,n < H C Análisis de la probabilidad de superación e una acción a lo largo de la vida útil Caracterización R. MEDIO y EXTREMAL en la ROM / puertos del estado!!! Período de retorno (T años) Riesgo admisible (E) à ROM

54 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL

55 ATLAS DEL OLEAJE DATOS DE PARTIDA: ATLAS DEL LITORAL ROM Registros instrumentales: Boyas costeras -Observaciones desde buques en ruta: Realizadas por un experto Sesgada y subjetiva Útiles por la direccionalidad

56 ATLAS DEL OLEAJE Zonificación 10 áreas En la actualidad hay más información disponible en las redes de medidad de Puertos del Estado

57 ATLAS DEL OLEAJE ÍNDICE DE CONTENIDOS Régimen medio Buques en ruta Ø Rosa de oleaje de viento y de fondo Ø Régimen medio direccional Estaciones costeras Ø Régimen medio escalar Régimen extremal Estaciones costeras Ø Régimen extremal escalar Ø Corelaciones H / T p en temporal Ø Estructura espectral IMPORTANTE: BOYAS EN AGUAS SOMERAS: Propagación inversa

58 Caracterización oleaje ROM

59 ATLAS DEL OLEAJE Rosas de oleaje ROM Observaciones visuales desde buques en ruta Hv à Aguas profundas

60 ATLAS DEL OLEAJE Régimen medio ROM Direccional Hv à Aguas profundas Escalar Hs à Aguas poco prfundas

61 ATLAS DEL OLEAJE Régimen medio ROM Escalar

62 ATLAS DEL OLEAJE Régimen extremal ROM Hs à Aguas poco prfundas

63 PROPAGACIÓN INVERSA ATLAS DEL OLEAJE

64 ATLAS DEL OLEAJE BANCO DE DATOS DE PUERTOS DEL ESTADO Redes de datos Datos experimentales REDEXT (exterior, antigua RAYO, EMOD) REDCOS (costera, antigua REMRO) REDMAR (mareógrafos) REMPOR (meteorología) Datos numéricos WANA (predicción nacional, viento, oleaje) WASA (predicción europea, viento, oleaje) SIMAR-44 (incluye marea metereológica)

65 ATLAS DEL OLEAJE REDEXT 13 boyas Seawatch 3 boyas Wavescan Hay disponible información climática!!

66 ATLAS DEL OLEAJE REDCOS Complementa las medidas de la red exterior en lugares de especial interés para las actividades portuarias o la validación de modelos de oleaje Profundidades < 100m Boyas escalares Waverider (red REMRO) Boyas direccionales Triaxys Hay disponible información climática!!

67 ATLAS DEL OLEAJE