5.1 APLICACIÓN DEL PROGRAMA DAM AL CÁLCULO DE DIQUES VERTICALES. 5.1.1 Planteamiento. Las posibles aplicaciones del programa Dam son múltiples. El hecho de que los resultados que ofrece incluyan los campos de velocidad, presión, tensiones de corte, permite mostrar todo tipo de detalles y hace suponer que se puede adaptar a cualquier campo que incluya el movimiento de fluidos incompresibles. Este capítulo está dedicado a reflejar como Dam puede ser utilizado de forma muy sencilla para mejorar la información de la que el ingeniero dispone cuando hace el estudio de una obra civil, en concreto, al dimensionado de diques verticales. Se va a estudiar el efecto de una ola que impacta sobre un dique vertical (también llamado reflejante ), y se pretende comparar la distribución de presiones obtenida con el programa y las distribuciones teóricas que incorporan algunos métodos de dimensionado de diques como el de Goda (195) o el de Sainflou (19). En [7] se explican con detalle estos métodos. El método de Goda está muy aceptado por la comunidad técnica a la hora de valorar la estabilidad estructural de un diseño de dique vertical. El método de Sainflou se entiende en general como una segunda opción añadida al método de Goda para comprobar resultados. Para la comparación se ejecutó el programa Dam sobre un problema concreto (fig 5-1) consistente en un canal virtual de ensayos con fondo horizontal, que consta de una pala generadora de tipo flap en un extremo y una pared vertical en el otro. Fig. 5-1. Geometría del problema. 1
Imponiendo un movimiento prefijado al flap, se provoca la formación de olas que inciden perpendicularmente sobre el dique vertical virtual. Para este caso sólo se requiere una simulación D, ya que el problema es de geometría prismática. Usando la teoría de generación de olas explicada en [] y [5] se consiguen olas de la altura deseada fijando el movimiento del flap (ver Anejo 3). Esto es, el periodo de oscilación, coincidente con el periodo de las olas generadas, y la carrera del flap, o recorrido horizontal máximo posible al nivel del agua en reposo. Con esta altura de ola se extraen las presiones contra el dique en el punto de sobreelevación mayor mediante el programa Dam y también con los procedimientos de Goda y Sainflou. El oleaje creado en nuestro caso tiene las siguientes características: h = 13 m. (profundidad de agua en reposo) T = s. (periodo del movimiento del flap, y de las olas generadas) H = m. (altura de ola generada) De donde se deduce (Anejo ) que L 5 m.. Este oleaje no sufre rotura de ningún tipo, tal y como se ha comprobado tras la ejecución del programa, sin embargo, esto se puede demostrar a partir de los datos iniciales: H h H L =.15 < =.3 <..1 evita la rotura por fondo evita la rotura por peralte Por este mismo hecho se pueden aplicar los métodos de Goda y Sainflou a este caso, ya que estos métodos incorporan la hipótesis de que no hay ningún tipo de rotura antes del dique y que la ola incide de forma suave (no se producen efectos relacionados con la oclusión violenta de aire).
5.1. Resultados obtenidos La figura siguiente (5-) muestra la distribución de presiones a lo largo del dique vertical. Tanto la hidrostática, o sea la que produciría el mar en reposo, como la dinámica, o la que produce la ola al impactar. Los detalles de todos los cálculos realizados para este apartado pueden encontrarse en el Anejo. Presión hidrostática y dinámica. 1 1 Presión dinámica modelada Presión hidrostática (teórica) Fig. 5-. Presiones de la ola y del agua en reposo. Tradicionalmente, la distribución de presiones no se representa así, sino que sólo se grafica la presión dinámica neta, definida como la presión dinámica total menos la hidrostática. Los métodos de Goda y Sainflou trabajan con distribuciones de presión dinámica neta y obvian la hidrostática dado que, generalmente, el efecto de la presión hidrostática en diques verticales se anula por haber agua a ambos lados del dique. El gráfico siguiente (fig. 5-3) es equivalente al anterior, pero se representa únicamente la presión dinámica neta. 3
Presión dinámica neta 1 Presión dinámica neta Fig. 5-3. Presión dinámica neta de la ola. El paso siguiente es saber en qué medida esta distribución de presiones dinámicas se parece a las que los ingenieros de puertos usan a menudo. Así pues, la superposición de estos resultados con los propuestos por Goda o Sainflou se pueden observar en el gráfico siguiente (fig. 5-). Goda & Sainflou vs Presiones observadas. 1 1 Presiones obs. GODA Sainflou 1 Fig. 5-. Superposición de distribuciones.
Cabe destacar el parecido entre la distribución calculada con Dam y la propuesta por Goda, y la mayor diferencia que se observa con la propuesta por Sainflou, que sobreestima las presiones considerablemente (un 5% más de presión que en la distribución modelada). En relaciones de área, o sea, fuerza resultante, y tomando como base la distribución calculada con Dam, el método de Goda da una fuerza un % mayor, y el método de Sainflou da una fuerza un 5 % mayor (más del doble). Quizás esto se explica en parte por el hecho de que Sainflou es un método deducido de forma analítica a partir de la teoría lineal de olas (existe una versión de º orden), y Goda es un método obtenido de forma semi-empírica, a base de ajustar unos ciertos parámetros que mayoran las presiones y que varían en función de las características del dique. Y en general, así se comportan, el método de Sainflou da presiones mayores. 5.1.3 Comentarios Des de el punto de vista del ingeniero, el uso del programa Dam puede representar una ventaja al diseñar un dique, por conocer con mucho detalle los fenómenos de presión que se producen al incidir las olas. No sólo porque da valores menores que las distribuciones tradicionalmente usadas (Goda, Sainflou, ) sino porque además puede adecuarse a cualquier geometría de dique y a cualquier tipo de ola y se evitan las limitaciones a las que someten los métodos tradicionales (aconsejables para determinados tipos de oleaje o dique concretos). El hecho de conocer mejor la distribución de presiones y que esta sea menor supone una disminución del coste de construcción de los diques, ya que la cantidad de material hormigón- usado puede verse reducida. Además, el programa Dam en sus últimas versiones ya permite la incorporación de sólidos que se muevan por la acción del fluido. Esto permitirá (aunque exigiendo un enorme esfuerzo en la elaboración de la geometría del problema) abordar ejemplos en los que se añada al dique todo tipo de elementos prefabricados o de escollera, y observar cuál es exactamente el movimiento del agua entre, por ejemplo, los elementos del manto principal de protección, y si estos se ven arrastrados por el agua. También es verdad que, por ahora, este método no estudia el movimiento de fluidos compresibles y por tanto no se puede modelar el efecto del aire, ya sea el efecto de rozamiento con la superficie libre del agua cuando la ola se levanta muy por encima del nivel del agua en reposo, ya sea el efecto del aire atrapado por el agua cuando ésta choca contra el dique. Estas bolsas de aire atrapadas durante el impacto son responsables en gran medida de los fenómenos de presión que se producen en los diques. 5