OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS

Transcripción

1 OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS TEMA 2. FORZADORES DEL OLEAJE 2.1. Viento 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 viento de proyecto Estudio del proceso de generación de viento. Definición del viento de proyecto. Análisis estadístico del viento en la ROM BIBLIOGRAFÍA DEL CAPÍTULO: Programa ROM. Recomendaciones para Obras Marítimas. Puertos del Estado. Introduction to Coastal Engineering and Managament.Kamphuis, J.W. (2000). World Scientific Meterológica Dinámica. Clima martítimo de las costas españolas. Acinas, J. (1997)

3 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

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

5 INTRODUCCIÓN Corrientes asociadas a Viento Viento hacia costa Viento apila agua en la lc è Celda de circulación Evita Δ Nivel Mar Favorece erosión estrán Viento hacia alta mar Viento apila agua en la lc è Celda de circulación Evita Δ Nivel Mar Favorece erosión estrán

6 INTRODUCCIÓN Factores no periódicos de la marea Elevaciones / descensos por Bajas y Altas Presiones Acción del viento (Storm surge)

7 INTRODUCCIÓN Acción del viento (Storm Surge) Los esfuerzos tangenciales apilan el agua (cap 6, Kamphuis 2000) ds dx = ξ (U cosφ)2 gd ξ = MAREA METEREOLÓGICA Provoca inundaciones y daños litoral por el efecto combinado de Elevaciones por Bajas Presiones y Altas Presiones Acción del viento hacia costa Pleamar astronómica

8 INTRODUCCIÓN Generador de Oleaje Oleaje de viento / Oleaje de largo SEA SWELL

9 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

10 GENERACIÓN DEL VIENTO Los gradientes de Energía Térmica en la atmósfera se convierten en Energía Cinética : movimiento de las masas de aire Enfoque de mecánica de fluidos y termodinámica: Interacciones con continentes (fricción) Interacción con océano (fricción, cambios de humedad) Aire es compresible Multitud de escalas, esfuerzos (fricción, Coriolis, presión, )

11 GENERACIÓN DEL VIENTO Análisis cualitativo a través de esfuerzos principales Análisis de arriba a abajo + IMPORTANTE: Capa Superficial Acinas, 1997

12 GENERACIÓN DEL VIENTO VIENTO EN LA ATMÓSFERA LIBRE: VIENTO GEOSTRÓFICO Hipótesis: viento bidimensional e isobaras rectas Viento originado por gradientes de presión: movimiento desde las zonas de altas (A) a bajas presiones (B) Sistema no inercial, las Fuerzas de Coriolis desvían el viento hasta establecerse un equilibrio H.N.

13 GENERACIÓN DEL VIENTO VIENTO GEOSTRÓFICO Equilibro Fp y Fc F p = F c p ρ = f Ug p : incremento de presión por unidad de longitud p = Δp Δp :1mb = 100 kn m 2 Δx Δx :separación entre isobaras f : coeficiente de Coriolis f = 2Ω senϕ Ω : freq. rotación tierra (rad s 1 ) B A ϕ : latitud (Galicia 40º - 42º) F p F c U g : Viento Geostrófico Ug = p ρ 1 2Ω senϕ

14 GENERACIÓN DEL VIENTO Las isobaras no son rectas: aparecen fuerzas centrífugas

15 VIENTO DE GRADIENTE: GENERACIÓN DEL VIENTO aparecen fuerzas centrífugas para seguir la trayectoria curvilínea Circulación anticiclónica P ρ = f U U 2 G G r Circulación ciclónica P ρ = f U + U 2 G G r V gr V gr F Presión F Centrífuga Acinas, 1997 F Centrífuga F Coriolis F Presión F Coriolis

16 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

17 PERFIL VERTICAL DE VIENTO El análisis anterior no vale en la CL Planetaria porque aparece la fricción: modifica la velocidad del viento V gr F Centrífuga F Presión F Coriolis F Rozamiento

18 PERFIL VERTICAL DE VIENTO Atmósfera libre ROM Velocidad constante U G Capa de transición o Capa de Ekman Capa límite superficial Perfil logarítmico u * V(z) = Ln 0.4 z z 0

19 PERFIL VERTICAL DE VIENTO u * V(z) = Ln 0.4 z z 0 z 0 : Rugosidad superficial κ = 0.4 : cte Von Kármán τ o = ρ u * 2 = ρ C g U G 2 = ρ C 10 V 10 2 u * : Velocidad de corte C g,c 10 : Coeficientes de arrastre geostrófico, a 10 m OJO 10-3 ROM

20 PERFIL VERTICAL DE VIENTO Atmósfera libre ROM Velocidad constante U G Capa de transición o Capa de Ekman Capa límite superficial Perfil logarítmico u * V(z) = Ln 0.4 z z 0

21 PERFIL VERTICAL DE VIENTO CAPA DE EKMAN U G F Centrífuga U 2 G 2 α 0 U G F Centrífuga F Presión F Coriolis fu G F Presión F Coriolis F Rozamiento F Rozamiento Espiral de Ekman V(z) V gr z z g β sin α α o 12 o C g 22 o en mar ROM

22 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

23 VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA Registro de viento u = U + u' Para describir el viento, asegurar U = cte no llega, necesitamos + info U (m/s) sd=1.3 sd=4.5 u=20 m/s t (min) Estado de viento ( ROM ) : U,σ U 2,α constantes

24 VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA Velocidad básica del viento Vb = V10min (z = 10m) En un estado de viento, media de 10 min a 10 metros (zona abierta) Velocidad desvida 22º con la dirección de U G Velocidad de ráfaga V τ (z) = V b F R F A F T F F F R A T Factor de ráfaga máxima Factor de altura Factor topográfico

25 VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA Factor de altura y rugosidad superficial V 10min (z) = F A V(z = 10m) Dos opciones 1) Perfil logarítmico u * V(z) = Ln 0.4 2) Tabla ROM z z 0 ROM Tipo Z 0 I II 0.05 III 0.30 IV 1.00

26 VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA Factor de ráfaga máxima V τ (z=10) = F R V 10min (z) Z 0 à F R z à F R τ à F R ROM

27 VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA Factor topográfico ROM

28 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

29 CARACTERIZACIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO Caracterización del viento 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. grúa portuaria) - Nº horas/año que es operativo P [ V v < V C ]

30 CARACTERIZACIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO Caracterización del viento a largo plazo en la ROM para: 1. Conocer número horas año que estructura opera 2. Conocer los esfuerzos máximos e diseño Régimen extremal Solicitación máxima en N años (vida útil) [ V ] v, V P < max,n 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

31 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL

32 ATLAS DEL VIENTO LITORAL DATOS DE PARTIDA: ATLAS DEL LITORAL ROM Registros instrumentales: Estaciones costeras Estaciones marítimas -Observaciones desde buques en ruta: Realizadas por un experto Sesgada y subjetiva Útiles por la direccionalidad

33 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Zonificación 10 áreas Buscar registros locales (p.ej. AEMET)

34 ÍNDICE DE CONTENIDOS ATLAS DEL VIENTO LITORAL Régimen medio Buques en ruta Ø Rosa de vientos Ø Régimen medio escalar Ø Régimen medio direccional Ø Persistencia escalar (excedencia, no excedencia) Estaciones costeras Ø Régimen medio escalar Régimen extremal Buques en ruta Ø Régimen extremal escalar Ø Régimen extremal direccional Estaciones costeras Ø Régimen extremal escalar Mapas de V b para T=50 años Buques en ruta (sesgada) V V (z = 10m) 1.31V (z 10m) v, e v,1min v,10min = Estaciones costeras Vv = V (z = 10m) v,10min

35 RÉGIMEN MEDIO VIENTO: ROM

36 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Rosa de vientos Observaciones desde buques en ruta

37 ATLAS DEL VIENTO LITORAL

38 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Régimen medio escalar Observaciones desde buques en ruta

39 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Régimen medio direccional Observaciones desde buques en ruta Probabilidad Condicionada P[V v,e < V c sector] Probabilidad Total P[(V v,e < V c ) sector] = P sector P[V v,e < V c sector]

40 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Régimen medio escalar Registros de estaciones costeras

41 Régimen extremal viento ROM

42 Régimen extremal viento ROM Régimen extremal escalar Observaciones buques en ruta Registros de estaciones costeras V V (z 10m) V v,3s (z = 10m) v, e v,1min = ATLAS DEL VIENTO LITORAL

43 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Mapas de velocidad básica V b, T,α Vb,50 KT Kα K T = Ln(T)

44 ATLAS DEL VIENTO LITORAL 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)

45 ATLAS DEL VIENTO LITORAL Datos de viento litoral 16 boyas aguas profundas 21 estaciones costeras No está disponible información climática!!

46 ATLAS DEL VIENTO LITORAL

47 1. INTRODUCCIÓN ÍNDICE 2. LA GENERACIÓN DEL VIENTO 3. EL PERFIL VERTICAL DEL VIENTO 4. VELOCIDAD BÁSICA Y DE RÁFAGA 5. DESCRIPCIÓN DEL VIENTO A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL VIENTO DEL LITORAL ESPAÑOL