UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROCESO DE EVALUACIÓN PARA LA SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE CONSTRUCCIÓN EN OBRAS DE PROTECCIÓN MARÍTIMA MÉXICO, D.F. T E s 1 s Que para obtener el título de: INGENIERO CIVIL Presenta: FELÍCIT AS ,CALDERÓN VEGA L- DIRECTOR DE TESIS M.C. MIGUEL ÁNGEL Y ÁÑEz l\IONROY 2001 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. INIVD\'1DAD NAqONAL AVPNoMA DI MIxI<:,O Señorita FELICITAS CALDERON VEGA Presente FACULTAD DE INGENIERIA DlRECCION FING/DCfG/SEAC/UTIT/OII/99 En atención a su solicitud me es grato hacer de su conocimiento el tema que propuso el profesor M.e. MIGUEL ANGEL YAÑEZ MONROY ,que aprobó esta Dirección, para que lo desarrolle usted como tesis de su examen profesional de INGENIERO CML. ''PROCESO DE EVALUACION PARA LA SELECCION DE ALTERNATIVAS DE CONSTRUCCION EN OBRAS DE PROTECCION MARlTlMAS" INTRODUCCION l. OBJETIVOS l. LAS OBRAS DE PROTECCION 11. METODOLOGIA PARA DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCION 111. EVALUACION YCOMPARACION DEALTERNATI\'AS DE CORAZA PARA DIFERENTES CONDICIONES FISICAS DEL LUGAR IV. EJEMPLO DE APLlCACION AL PUERTO DE DOS BOCAS, TAB. V. CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES Ruego a usted cumplir con la disposición de la Dirección General de la Administración Escolar en el sentido de que se imprima en lugar visible de cada ejemplar de la tesis el Título de ésta. Asimismo le recuerdo que la Ley de Profesiones estipula que deberá prestar servicio social durante un tiempo mínimo de seis meses como requisito para sustentar Examen Profesional. Atentamente 'POR MI RAZA Cd. Universitaria a.\I44I""Febrernie-!9'l'f: EL DlRECfOR ING. GFB/GMP/mstg. AGRADECIMIENTOS A MAMÁ Y PAPÁ : Por su apoyo incondicional. Los amo y espero nunca defraudarlos. Gracias mamá, por ser antes que nada mi amiga y mi confidente, por estar conmigo en todos los momentos y creer en mí. Siempre estás en mi corazón. Gracias papá. por el enorme sacrificio realizado y hacerme entender que la educación eS imprescindible para ser mejores. A MIS HERMOSOS Y QUERIDOS HERMANAS Y HERMANOS: MARGOT; Por tus consejos. JOS; Por ayudarme incondicionalmente (y monetariamente), LUCY; Por ser mi psicóloca y confidente, CARMEN; No importa que te hayas titulado y te coSes antes que yo, Merlín (perdonada), MALE; No es fácil, Galaylenita, pero te aseguro que se puede. Tienes todo mi apoyo para que logres todo lo que te propongas, ZEFE; Por ser un hermano muy consciente. Espero para ti lo mejor de la vida. MARY; ¡Al fin!. .. ahora te toca a ti, bebé, (haber si algún día logramos que las escuelas sean sin exámenes ... ni maestros." ni clases; porque todo lo demás está perfecto, ¿o no?), BETa; Espero Ser un buen ejemplo para ti, hermanito (bueno, en los estudios) y CARLOS; Enano: poro que veoS que "carrera" no solo significa correr y correr y correr ... aunque eS algo parecido. ESPECIALMENTE A LA MAESTRA ELIZABETH: Porque al hoblarme tanto de la UNAM, logró que me emocionara con estudiar aquí (ahora ya nadie me saca, estoy profundamente ligada a 'mi' Universidad). Gracias por Sus consejos. A mi queridísima amiga ALMA: Compita; ya vez que si se puede (y arriba el punk), A mis amigas de siempre: SONIA, KIM, CLAUS, KARY, GABRIELA, DEYSI: Porque gracias a ustedes, los estudios se convirtieron en algo más que agradable. GRACIAS MIGUEL: (Marcos) porque con nuestro despapaye, el tiempo fue leve, por enseñarme que nunca hay que claudicar (aguantar hasta el final). Romana. GRACIAS DAVID GARCÍA: Por regalarme parte de tu vida y tus ilusiones, por hacerme un poco consciente de la realidad social, por quitarme la venda. GRACIAS DAVID RODRIGUEZ: porque en la Facultad no solo encontré un compañero, sino un gran amigo. GRACIAS ING. MIGUEL ANGEL YAÑEZ, ING. JAVIER GUTIERREZ REYNOSO: Por brindar a las nuevas generaciones la oportunidad de trabajar en su consultoría, y por aguantarme todo este tiempo, además de enseñarme todo lo que sé sobre Hidráulica Marítima. GRACIAS AL DR. ARTURO PALACIO PÉREZ. Por ser mi ángel de la guardia, por esperarme. (Prometo que la tesis de maestría será express). Gracias a todos los que contribuyeron de una u otra forma en la realización de este sueño: Dr. Gabriel Echávez, Ing. Ricardo Rodríguez, Ing. Humberto Soriano, Ommarito, Rafael Angula, Francisco Chávez, Jesús Huidobro, Jaime Galeana, Etc. Gracias a la UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO, a la FACULTAD DE INGENIERÍA Y al INSTITUTO DE INGENIERÍA. DEDICATORIAS: A mis sobrinos, hermanos pequeños y amiguitos: BETa, CARLOS, BETTY, CÉSAR, ÓSCAR, Ala, MARIO, VÍCTOR, PEPIllO 2, CRYSTY, CINTYA, DIANA, GUSTAVO, DAVID, GIBRÁN : luchen siempre por sus ideales y jamás repriman su forma de pensar. A MI AMORSHITO: DAVID ARANDA Quizá te tocó lo más emocionante: el final, ion' 'tabas? (Al infinito y más allá) Ale. ESPECIAL PARA CIRO: Sé que ya estás demasiado lejos, pero algún día te alcanzaremos ... Por formar parte de un hermoso pasado. Dedico este trabajo a la juventud mexicana consciente, especialmente a los jóvenes Guerrerenses, para quienes no existen muchas posibilidades de desarrollo. Por una educación en la que pueda participar toda la sociedad, a la que nos debemos y por la cual lucharemos siempre. "Por mi Raza Hablará el Espíritu" "Todo lo que el conocimiento noS puede dar eS el uso adecuado de nuestra propia soledad, cuya forma final eS la confrontación de nosotros mismos con nuestra propia mortalidad" Harold Bloom "PROCESO DE EVALUACiÓN PARA LA SELECCiÓN DE ALTERNATIVAS DE CONSTRUCCiÓN EN CORAZA EN OBRAS DE PROTECCiÓN MARíTIMAS." INTRODUCCiÓN. OBJETIVOS. l. LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARíTIMA. 1.1 Definición 1.2 Necesidad de las Obras de Protección 1.3 Tipos de Obras de Protección. 1.3.1 Escolleras 1.3.2 Rompeolas 1.3.3 Espigones 11. FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN. 11.1 Metodologia General para el Diseño de Obras de Protección 11.2 Estudios Básicos de Campo 11.2.1 Selección del Sitio de Proyecto; Evaluación Morfológica de la Costa 11.2.2 Topografía y Batímetría 11.2.3 Mecánica de Suelos 11.2.4 Evaluación de Bancos de Materiales 11.2.4. 1 Características de la Roca para la Construcción de Obras de Protección Marítima 11.2.4.2 Características de los Materiales para Elementos Prefabricados 11.2.5 Procesos Costeros 11.2.5. 1 Víentos Normales y Extremales 11.2.5.2 Oleaje Generación Observación Visual Mediciones Directas Modelos de Generación Indirecta 11.2.5.3 Mareas Astronómicas 11.2.5.4 Corrientes 11.2.5.5 Transporte Litoral 11.3 Descripción Teórica del Oleaje. 11.3.1 Teoría Lineal 11.3.2 Teorías de Mayor Orden y Rango de Validez 11.3.3 Procesos de Propagación 11.3.3.1 Cambío de Esbeltez y Refracción 11.3.3.2 Difracción 11.3.3.3 Reflexión 11.3.3.4 Alcance de Ola 11.4 Determinación de Parámetros de Diseño 11.4.1 Principales Parámetros de Diseño y su Impacto 11.4.2 Generación de Oleaje de Tormenta 11.4.3 Análisis Estadístico de Valores Extremales - Selección de la Ola de Diseño. 11.4.4 Marejada de Tormenta 11.4.5 Determinación de Condiciones de Rompiente y No Rompiente 11.4.6 Nivel de Coronamiento para Construcción y Protección 11.5 Transporte Litoral 11.5.1 Criterios de Cálculo para Transporte de Sedimentos 11.5.2 Esquema de Balance de Sedimentos 11.5.3 Crecimiento Playero al Pie de Obras de Protección Marítima 111. EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.1 Criterios para la Definición del Arreglo en Planta 111.2 Criterios para el Diseño de los Elementos de Coraza y Sección Transversal 111.2.1 Método de Hudson 111.2.2 Método de Van der Meer 111.3 Alternativas de Coraza. /11.3. 1 Enrocamiento 111.3.2 Elementos Prefabricados. 111.3.2.1 Cubos 111.3.2.2 Dolos 111.3.2.3 Tetrápodos 111.3.2.4 Acrópodos / Core -Ioc's 111.3.2.5 Bolsacreto 111.3.2.6 Otras Formas Irregulares 111.3.3 Análisis Comparativo de Costos de Construcción 111.4 Modelación en Laboratorio para Optimización del Diseño. 111.4. 1 Similitud Dinámica 111.4.2 Necesidad de Modelación en 20 111.4.3 Necesidad de Modelación en 3D 111.3.3 Análisis de Resultados. 111.5 Análisis de la Longitud Óptima 111.5.1 Costo de Construcción vs. Costo de Espera 111.5.2 Costo de Construcción vs. Costo de Dragado de Mantenimiento IV. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, TABASCO IV.1 Descripción General del Puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos Bocas IV. 1.1 Diseño Original y construcción Incompleta IV. 1.2 Necesidad de Terminación - Actualización del Proyecto Original IV.2 Estudios de Campo - Actualización de Información IV.2.1 Estudios Topobatimétricos IV. 2. 2 Estudios de Geotecnia IV.2.3 Exploración de Bancos de Materiales IV.3 Análisis de Procesos Costeros IV. 3.1 Viento IV.3.2 Oleaje Normal IV.3.3 Oleaje Ciclónico IV.3A Marea de Tormenta IV.3.5 Mareas IV.3.6 Corrientes IVA Proyecto de Optimización de los Rompeolas de Dos Bocas. IVA.1 Selección de Parámetros de Diseño IVA.2 Alternativas Propuestas para la Coraza de los Rompeolas IVA.3 Comparación y Evaluación de Alternativas IVAA Optimización y Validación del Diseño de la Sección Transversal con Modelación en Laboratorio. /V.4.5 Modelación Matémática de la Difracción para la Optimización de la Primer Etapa de Construcción IVA.6 Proyecto Ejecutivo de los Rompeolas IVA.7 Comentarios Referentes al Diseño. V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. "PROCESO DE EVALUACiÓN PARA LA SELECCiÓN DE ALTERNATIVAS DE CONSTRUCCiÓN EN OBRAS DE PROTECCION MARíTIMA." INTRODUCCiÓN. Los océanos han constituido en todas las épocas una vía importante de intercambio comercial, contribuyendo a la evolución económica y social de los paises. Tomando en cuenta la situación económica actual que se vive en nuestro país, es necesario contar con infraestructura que permita un mejor aprovechamiento de las ventajas que ofrece el mar como medio de comunicación. La creación de nuevas obras portuarias y el mejoramiento de las ya existentes puede ser un punto importante en el desarrollo económico, considerando optimizar los procedimientos de diseño y construcción para el mejor manejo de los recursos. En particular, las obras de protección maritima son estructuras de gravedad formadas con elementos sueltos de roca o elementos prefabricados, que sirven para proteger de la acción directa del oleaje áreas confinadas de agua (puertos, lagunas. canales, etc.). También sirven como barreras para evitar la entrada de sedimentos en canales de navegación y para proteger las playas que pudieran estar sujetas a un proceso de erosión. El encontrar una forma precisa y óptima de cálculo para proyectar una obra de protección maritima es hasta cierto punto complicado pero necesario, ya que debido a la magnitud de estas obras, los gastos de construcción y diseño son con frecuencia de grandes dimensiones y el proceso de optimización técnico-económica toma gran importancia. El presente trabajo de tesis se pretende realizar una especie de referencia bibliográfica para quienes tengan algún conocimiento o ninguno de esta materia ya que incluye una recopilación y análisis de información referente a las obras de protección maritima, específicamente escolleras. rompeolas y espigones; asi como los procedimientos necesarios para el diseño, evaluación de alternativas y construcción. La altura de ola es un factor determinante para el proceso de cálculo, sin embargo para su determinación es preciso entender que el oleaje no es un fenómeno que presente características que sigan un comportamiento de tipo cíclico uniforme o determinado, tal que las ecuaciones que lo describan sean fáciles de determinar, por lo cual su estudío ha sido complicado. En el presente trabajo se definen conceptos sobre teorías de oleaje usadas con frecuencia. Las obras de protección marítima, se componen de elementos que pueden ser roca natural o prefabricados. En la presente tesis, se hace una evaluación de los principales parámetros para elegir la alternativa adecuada en la coraza, de acuerdo a las condíciones físicas del lugar y los fenómenos costeros naturales. En el primer capítulo se presentan diferentes definiciones de las obras de protección marítima en opínión de diversos autores. para finalmente conformar un concepto que define de una manera clara y precisa una obra de protección marítima y se acopla mejor a este trabajo de investigación; se analiza también el porqué de las obras de protección y los principales tipos de obras que existen. así como las partes importantes que las conforman. El capítulo dos, trata de los fundamentos básícos para el diseño de las obras de protección marítima, para lo cual se describen las condiciones físicas como son la mecánica de suelos, la topografía, batimetría, oleaje normal y ciclónico, marea de tormenta y astronómica, y las corrientes marinas. También se mencionan los parámetros de diseño y aunado a esto, las principales teorías de oleaje existentes, destacando la teoría lineal aplicada al fenómeno del oleaje. En el capítulo tres se explican los criterios para la definición del arreglo en planta de las obras de protección, se evalúan y comparan las alternativas de coraza de acuerdo a las condiciones fisicas existentes en el lugar de la obra. Se analizan de manera cualitativa y cuantitativa las ventajas y desventajas de los elementos prefabricados entre sí y con elementos de enrocamiento. Se explica la metodologia para seleccionar la mejor alternativa de coraza. Se presentan los principales parámetros de diseño así como las fórmulas de cálculo que pueden utilizarse. Dado que es muy importante tener en cuenta los materiales a utilizar en estas obras, se mencionan también criterios de evaluación para la selección de materiales de construcción. Por último, se mencionan los modelos matemáticos y físicos que permiten optimizar el diseño. El capítulo cuatro se refiere al ejemplo propuesto de los Rompeolas del Puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos bocas, en Tabasco; para lo cual, se hace primero una descripción general del puerto, se describe de una manera general los resultados en el proyecto original y porqué es necesario hacer una reevaluación de los cálculos para optimizar el diseño. Para esto se analiza la información disponible y se procede a realizar el proyecto de optimización de los rompeolas en base a los conocimientos adquiridos a lo largo de los capítulos anteriores. En la parte final se hace un análisis técnico económico de la alternativa original y el diseño modificado. OBJETIVOS. Los objetivos principales del presente trabajo, se enlistan a continuación: • Conformar una referencia para introducir al lector a los criterios de selección, diseño y construcción de obras marítimas de protección. • Definir algunos conceptos sobre teorías de oleaje, acción del oleaje sobre la estructura y experimentación en laboratorio, considerando que el oleaje es un factor determinante en el diseño de estas estructuras. • Plantear una metOdología para el diseño de obras de protección estableciendo los criterios básicos para la selección de información técnica, proceso de decisión sobre composición de estructuras y análisis de diseño. • Ejemplificar lo propuesto en esta tesis con el caso de los rompeolas del puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos Bocas, en el estado de Tabasco. LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA J. LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARíTIMA. En general, los puertos requieren de un abrigo natural o artificial que impida la acción directa de los procesos costeros como son el oleaje y las corrientes; también es a veces necesario para impedir la erosión de las playas o canalizar el transporte de sedimentos, la construcción de obras que limiten estos procesos. Este tipo de obras, conocidas como obras de protección costeras, son el motivo del presente trabajo. 1.1 Definición En primera instancia, resulta necesario definir con detalle que es una obra de protección maritima, cuántos tipos principales de obras de protección maritima existen y cuales son sus principales funciones. Como todas las clasificaciones, éstas dependen del criterio clasificador, es decir atendiendo a la protección que brindan y al proceso costero involucrado, estas obras pueden clasificarse de acuerdo a la Figura 1. 1.a. También es importante considerar su comportamiento estructural, lo cual lleva a otra clasificación como se muestra en la Figura 1.1.b. Otro aspecto importante radica en su geometría en planta, las cuales pueden quedar como se indica en la Figura 1.1.c O también, considerando la estructuración de su sección transversal: • Estructuras homogéneas • Estructuras heterogéneas (multicapas) Existe otra clasificación que toma en cuenta la medida con que fluye el agua a través de la estructura: • Permeables • Impermeables. 5 A A o a . a -. ” y A no. - Ar A me s : 7 ein arteria, . E, ia, ae mia e? rr, 48 « l a 1 TE N E f- > a Bo ta A , yO 1 yr Escolleras Espigones (b) Estructuras rígidas | A | l L A S (c)jObras convergentes Obras perpendiculares (a la costa) Obras paralelas (a la costa) Figura 1.1 Clasificación de las Obras de Protección Marítima (a) LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARiTIMA :. - ·r .... -':- -'-:"T~ -~-, ... _ .. ¡ Rompeolas scoll ras spi nes ) str ct ras igi s Estructuras Flexibles ----- , ~-'" \ '--~:~ --~ .. .. '. . ... - - . -, ---"""'-, O r s vergentes bras r endiculares ( l sta) bras ralel s ( l sta) i ura L l sifi ci n e s bras e r t cción aríti a 6 LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA Como puede observarse, el criterio clasificador resulta importante y atendiendo a la finalidad de la presente tesis, se hará énfasis en los aspectos de funcionalidad y estructuración En ese sentido, existen diversas definiciones en torno a estas estructuras: el Manual de Diseño de Obras Civiles, (CFE, 1998) dice: "Estas estructuras usualmente están formadas por capas de piedras o elementos prefabricados y son utilizados como obras de protección en puertos y costas y según su función se denominan rompeolas, escolleras y espigones", en el Manual on the Use of Rack in Hydraulic Engineering (Balkema, 1995) se definen como: "Estructuras construidas con roca, usualmente protegidas por capas de grandes rocas o bloques de concreto. Generalmente tienen la función de tranquilizar las aguas para permitir el atraque o amarre de embarcaciones, protegiéndolos del oleaje y corrientes", finalmente, en el libro Port Engineering (Per Bruun, 1990) encontramos: "Un rompeolas es una estructura de protección para puertos, muelles, etc., llevando la influencia destructiva del oleaje fuera del área destinada a la recepCión de las embarcaCiones; un espigón es una estructura extendiéndose dentro de un cuerpo de agua para dirigir o confinar los flujos provocados por la marea a un canal seleccionado, o para prevenir bajos. Los espigones son construidos en los rios, desembocaduras, para conservar la profundidad y estabilidad del canal y facilitar la navegación" Conjuntando las opiniones anteriores, podemos concluir que las obras de protección marítima son estructuras de gravedad formadas con materiales graduados sueltos de enrocamiento o elementos prefabricados, que sirven para proteger de la acción directa del oleaje áreas confinadas de agua (puertos, lagunas, canales, etc.). También sirven como barreras para evitar la entrada de sedimentos en canales de navegación y para proteger las playas que pudieran estar sujetas a un proceso de erosión. En la Figura 1.2 se muestra el corte de una sección típica de una obra de protección. 7 Anno de Coruna Coronda | ] — — le Coraza Capa Secundaria k Talones Filtro y apoyo Núcleo IN O - . a A A Figura 1.2 Sección Tipica de Una Obra de Protección La sección transversal de estas estructuras generalmente está formada por: Coraza (Capa primaria). Es la parte exterior de la estructura y está formada por una, dos y hasta tres capas de elementos que deben resistir la acción directa del oleaje y se compone de los elementos de mayor tamaño; pueden ser construidas con roca o con elementos prefabricados de concreto, de los cuales se habla mas adelante. Capa secundaria. Sirve para soportar los elementos de la coraza y además como filtro para evitar que exista fuga de los elementos de la capa en que se apoya. Puede haber una o más capas secundarias. Núcleo. Sirve como soporte integral y relleno a la estructura; se compone de los elementos más pequeños. Talones. Su objetivo es proteger la obra contra la socavación al pie de la misma, al mismo tiempo sirve como soporte de los elementos de las capas secundarias y coraza Filtro y apoyo. Se utiliza para evitar el hundimiento de las piedras durante la construcción debido a las corrientes y el oleaje. También evita que la arena del fondo sea LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA ':~lor . .1 ( .'\.:h." c DrU'l,1 n Lapa cundaria ""'''----- -- úcleo i ra . e ción í i a na bra r t cci n cci n ra versal t s t ct ras eral ente t o da or: oraza pa ri aria). s rte xterior l tr ct ra stá da r a, s sta as l entos e en sistir l ci n i cta el l aje pone l entos ayor año: den r nstr i as n a n l entos f ri os ncreto, e al s bla as elante. apa cundaria. ir e ra portar l entos r za ás o ra vitar e xi ta a s l entos a e oya. ede ber a ás as cundarias. úcleo. ir e o porte ral l tr ctura; pone e l entos ás ueños. l nes. u j ti o s r t ger ra ntra l vación l i l i a, l i o ie po i o porte s l entos as undarias r za ilt oyo. e til ra vitar l ndi iento i r s r nte nstr cción bi o rri t s l l aje. bién vit e l r a el o 8 LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARlnMA succionada y extraída de entre los huecos dejados por las rocas, cuando se presentan corrientes inducidas por grandes tormentas. Los filtros, conformados porgeotextiles en su mayoria, pueden evitarse en ocasiones, ya que los talones pueden funcionar como protección que evite la extracción y movimiento de la arena sobre la que se apoya la obra. 1.2 Necesidad de las Obras de Protección El término costa se emplea para definir la franja de terreno que constituye el limite entre la tierra firme y un cuerpo de agua expuesta a la acción alternativa del oleaje y las mareas. Cuando esta frontera está formada por material suelto no consolidado recibe el nombre de playa; dicho material es pétreo y generalmente es arena, grava o boleo. Los procesos costeros son resultado de la interacción entre el sedimento de las formaciones playeras y el oleaje principalmente, aunque también influyen las corrientes, mareas, vientos y batimetría. De acuerdo a su comportamiento. las playas pueden estar en equilibrio o bajo un proceso erosivo o uno de sedimentación. Desde el punto de vista ingenieril, los fenómenos costeros influyen en problemas como erosión de playas, destrucción de construcciones costeras y de caminos a la orilla del mar, azolvamiento de puertos y de obras de toma para centrales termoeléctricas, etc. La importancia de las obras de protección costera radica principalmente en su poder de absorción y disipación de la energia del oleaje con lo cual provoca calma dentro de la zona protegida; si se trata además de impedir o canalizar el transporte de sedimentos, toman un papel importante al cambiar o dirigir la trayectoria de éstos. Por lo tanto, la función de un rompeolas es "romper" las olas y proporcionar una área protegida donde las embarcaciones puedan navegar, atracar, amarrar, cargar y descargar; además funcionan como protección contra el transporte de sedimentos en la zona litoral. Su importancia es tal, que en cualquier desarrollo marítimo, portuario y costero, están considerados como parte de la infraestructura básica. Adicionalmente, sus implicaciones económicas son de consideración, ya que, junto con las obras de dragado, constituyen las obras más costosas de cualquier desarrollo marítimo - portuario - costero. La necesidad de su implementación y sus altos costos constructivos permiten vislumbrar 9 LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARiTIMA un problema de imperiosa necesidad de resolución en la ingeniería marítima: buscar un diseño funcional y económicamente óptimo. 1.3 Tipos de Obras de Proteccíón. Las obras de protección que se estudiarán en esta tesis son principalmente los rompeolas, escolleras y espigones; estas tres obras se construyen generalmente con rocas de gran tamaño o elementos artificiales de concreto. Están formados por dos partes: un cuerpo o tronco y un morro, el cuerpo se inicia desde el arranque (inicio) en la playa o costa hasta un poco antes del final de la estructura; el morro lo constituye la zona final y es la parte más expuesta al oleaje; en él se colocan los elementos más pesados como medida de reforzamiento. 1.3. 1 Escolleras Se utilizan para evitar azolve en canales de navegación en la desembocadura de ríos, evitar la entrada de material a la obra portuaria y en ocasiones protegerla de la acción del oleaje, y para encauzar los flujos asociados a la entrada y salida de las mareas. Las escolleras generalmente están formadas por enrocamiento, y suelen a veces también trabajar como rompeolas, es decir, cuando el puerto se ubica dentro del cauce del río, limita los canales de navegación y protege al puerto de los fenómenos fisicos que se presentan en la interacción mar - río. Su estructuración es similar a los rompeolas. Adícionalmente a su función protectora, las escolleras frecuentemente son diseñadas para buscar efectos positivos en el comportamiento de sedimentación de los cauces, encauzando, acelerando y distribuyendo las corrientes de flujo y reflujo de la marea, en combinación con las corrientes propias del río. 10 Roca de Núcleo de enrocamiento Figura 1.3 Corte de Una Escollera (Presentación conceptual) 1.3.2 Rompeolas Los rompeolas sirven principalmente para proteger o formar el área protegida de puertos. En los rompeolas frecuentemente se pueden distinguir dos tipos de construcción: 1) Rompeolas de talud, Este tipo de estructuras pueden ser permeables o impermeables, se caracterizan por que disipan la energía a medida que la ola desliza sobre la pared de talud, además, ta superficie irregular de los elementos que lo conforman juegan un papel importante en la disipación de la fuerza de la ola. Comprende las siguientes clasificaciones: a) Cuando el material del núcleo se eleva arriba del nivel del agua y se protege con una capa de roca de coraza, algunas veces separada del material de núcleo por una o más capas intermedias. Consiste de un núcleo de roca de tamaño pequeño, colocado como relleno desde el techo marino hasta arriba del nivel de! agua. Este material se protege con una capa de roca grande seleccionada en tamaño y forma y con pendientes bien definidas. Pueden colocarse una o más capas intermedias de LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARiTIMA Variahle i JL;L-~ ,.-:I")?; / _ j >--... oca e .1-1./ < ./ --'-" •• , '""'- (""" Coraza ~ ":...4' j "'~, (\ "~o ~ ., re> "'-.:, t>-.,\.. -". , 1'1 ' .. '" ' .... -,.:1 . . úcleo e ~. ·V~\. '"\ . ... r ~, nrocamiento.' ~:-,-~~. /" , ;:-...-,...-: ...... I~·~~ ."- '"- .~. _, ~_ ~ .. ,ie) i ra . orte na scoll ra ntación ceptual) . . o peolas s peolas i n in ip l ente ra r t ger ar l r a r t i a ertos. n l rompeola~ rec l ente den i ti uir s ip s nstr ción: ) o peolas l d, ste i t t r s den r r eables i er eables, r cteri n r e i i n l ergía edida e l l sli a bre l r d t l d, ás. l perficie irre lar l l entos e l f an ju n pel i ortante l i i ci n l f r a l l . o prende l i i t s l i ic i es: ) uando l aterial el cl o l a rri el i el el ua r t e n a a e r za, l as ces ar da el aterial cl o r a ás as in e edias. onsiste cl o r ta año ueño. l do o r lle sde l le o arino sta rri el i el el ua. ste aterial r t e n a a r a r de l i da ta año f r a n ndientes i fi i as. eden l rse a ás as inter dias II LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA roca de tamaños menores, llamadas capa secundaria o filtro, entre el núcleo y la coraza. b) El material del núcleo queda abajo del nivel del agua (sumergido) y se cubre con roca de peso intermedio, la cual forma la base para las capas más pesadas. Tiene como base de núcleo constituido por material colocado, ya sea como producto de dragado, o a volteo desde chalanes o por algún método de construcción costa fuera. La parte superior del núcleo queda a una profundidad considerable abajo del nivel del agua y se cubre con roca de peso mediano hasta un nivel igual a la altura de la ola abajo del nivel medio del mar, en donde se forma la base sobre la cual se coloca la roca de coraza. 2) Rompeolas de pared vertical. Estos difieren de los de tipo de talud por su forma de resistir la acción de la ola. El muro vertical refleja la ola sin liberar nada de su energia destructiva, pudiendo producir ondulaciones estacionarias conocidas como "Clapotis "'. Generalmente están constituidos por una estructura vertical de concreto, donde su propio peso es el elemento estabilizante. Estas estructuras se encuentran normalmente cimentadas sobre un apoyo de enrocamiento, aunque pueden cimentarse directamente sobre el lecho marino si las condiciones de resistencia son adecuadas. Tienen algunas ventajas con respecto a los de talud, por ejemplo: a) Proporcionan un área más amplia que permite una entrada más pequeña, por lo cual queda mejor protegida el área abrigada. b) La parte interior puede usarse para paramento de atraque. c) Está sujeto a un análisis más exacto. d) Prácticamente no tiene mantenimiento. I Se llama elapotis al patrón de oleaje estacionario que se forma al reflejarse la onda 12 --------- - - --- LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA e) Ante la escasez de piedra a una distancia económica de acarreo, ahorra tiempo y dinero. Sin embargo, también tiene las siguientes desventajas. a) Sólo puede construirse cuando se tiene la seguridad de una buena cimentación. b) No tiene la flexibilidad estructural de los rompeolas de talud para adaptarse a los asentamientos y a la acción del oleaje. c) Cuando sufre daños, su reparación es dificil. Los rompeolas de pared vertical, pueden clasificarse, de acuerdo a la geometria de su estructura, en diques verticales y diques mixtos. Dique vertical: Está formado básicamente por una pared vertical o casi vertical. construido con muros o bloques de concreto. (Figura 1.4) En este tipo de estructuras se refleja prácticamente toda la energía del oleaje y muy poca energia es realmente disipada. Pueden estar cimentados directamente en el fondo marino o sobre enrocamiento sumergido; es importante asegurar que la profundidad del agua sea suficiente para evitar que la ola rompa antes de llegar al dique. N.BM.I Figura 1.4. Esquema de un Dique o Rompeolas Vertical. 13 LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARITIMA Dique Mixto. Su forma es similar al dique vertical, solo que siempre se construye sobre enrocamiento, su principal diferencia radica en que la ola puede romper sobre el dique o antes, ya que debido a la profundidad del fondo del mar, o la geometria del enroca miento, la ola se peralta y rompe sobre la estructura, es decir, las fuerzas que actúan sobre el dique no solo dependen del oleaje incidente, sino que además influye la geometria de la base de enrocamiento, y el del tipo de impacto de la ola que golpea al dique. En la figura siguiente se muestra el esquema de un dique mixto. ",'_ ~. :.6~ ~':::c~--' , , :"-~6::.-:i (.~~cl~ _i· 7.~O) ' .. ___ t.'C-·':.:!. ~"----- -~""-r-,::M'-"l",:' ' .. '.:.,-' ~~_~-----.""~""~'~ ·::-C:~·~·."· Figura 1.5 Esquema de un Dique Mixto /.3.3 Espigones Los espigones se utilizan para retener el sedimento en zonas playeras. Con ellos se pueden estabilizar playas ya sea para protección de la costa o para atractivo turístico. Los espigones se clasifican en permeables o impermeables, altos o bajos y fijos o ajustables. Pueden consistir de una pantalla de madera, acero o concreto, o bien ser una barrera formada de piedra, elementos prefabricados de concreto u otros materiales. Además, pueden estar unidos o separados de la costa. Cuando se construyen unidos a la costa pueden colocarse perpendicularmente y además tener, forma "L" o "T". Mientras que los que son separados de la costa pueden ser paralelos a ella o formar un cierto 14 LAS OBRAS DE PROTECCiÓN MARíTIMA ángulo; los primeros se utilizan más en protección de playas y los segundos para estabilizar la entrada de lagunas litorales (sin navegación) o entradas de obras de toma. . , :--.- -........ _, """ ........ \ ,,,"_., ,~~..,;..-- .. -- Figura 1.6 Vista en Planta de Espigones Paralelos a la Costa. El estudio para el diseño de estas estructuras debe ser muy completo. ya que mal implementados representan graves riesgos de erosión y socavaciones o de acumulación de sedimentos en distancias no deseadas y pueden resultar en acciones contraproducentes a las perseguidas en el proyecto original. 15 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEI'lO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11. FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN. 11.1 Metodología General para el Díseño de Obras de Protección. El diseño de una obra de protección marítima debe obedecer a un proceso de estudio bien planeado y ordenado; se incluyen cuatro fases básicas de estudio, las cuales son: • Estudios de campo. Son indispensables para evaluar el ambiente físico en que se desplantarán las obras de protección. • Estudios básicos de procesos costeros. Sirven para caracterizar el comportamiento de los procesos costeros ante los cuales estarán expuestas las obras y para determinar parámetros de diseño. • Definición de alternativas de diseño. En esta fase está la concepción de alternativas de arreglo general y estructuración de la sección transversal de las obras de protección asi como el análisis de su impacto en la operación y protección portuarias. • Diseño de detalle de la alternativa óptima. Después de haber realizado los pasos anteriores, se procede al diseño de detalle definiendo a su vez el procedimiento constructivo de la alternativa que se consideró óptima. El diagrama de flujo siguiente ilustra a manera de propuesta el contenido de los trabajos a realizar en cada etapa de estudio para el diseño de las obras de protección marítima. 16 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN METODOLOGIA PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN INICIO DE PROYECTO + EVALUACiÓN MORFOLÓGICA GLOBAL DE LA ZONA .. ESTUDIOS DE CAMPO • TOPOBATIMETRIA • MECÁNICA DE SUELOS • EXPLORACiÓN DE BANCOS • MEDICiÓN DE CONDICIONES OCEANOGRÁGICAS 1. OLEAJE 2. MAREAS 3. CORRIENTES ~ DEFINICiÓN PRELIMINAR DE ARREGLO GENERAL DE LA OBRA ~ ANÁLISIS ESTADíSTICO DE OLEAJE • CONDICIONES NORMALES DE OPERACiÓN • SELECCiÓN DE VALORES DE DISEÑO ¡ TRANSFORMACiÓN A PROFUNDIDADES DE DISEÑO ANÁLISIS DE REFRACCiÓN ¡ .. --. ANAlISIS DE OPERACiÓN DISEÑO DE SECCiÓN TRANSVERSAL I • DIFRACCiÓN/CONDICIONES DE • SELECCiÓN DE ALTERNATIVAS DE CORAZA , OPERATIVIDAD • PREDIMENSIONAMIENTO GEOMÉTRICO , • SELECCiÓN DE LONGITUD OPTIMA: COSTO • EVALUACiÓN ECONÓMICA DE ALTERNATIVAS CONSTRUCCiÓN/COSTO ESPERA • SELECCiÓN DE ALTERNATIVA DE DISEÑO. • DEFINICiÓN FINAL DE ARREGLO GENERAL I 1 DISEÑO DE DETALLE (EJECUTIVO) 1 PRESUPUESTO FINAL Y ELABORACiÓN DE DOCUMENTOS DE CONCURSO 17 FUNDAMENTOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN En cada una de las etapas se realizan trabajos especificas del área, por ejemplo: Los estudios de campo incluyen: • una evaluación morfológica de la zona costera (recorridos físicos y fotografías aéreas) • Levantamientos topográficos y batimétricos • Estudios de mecánica de suelos • Exploración de bancos de materiales • Medición de condíciones oceanográficas .Oleaje .Mareas .Corrientes Los estudios básicos de procesos costeros se realizan en gabinete e incluyen • Análisis estadísticos de condiciones de oleaje • Condiciones normales. Base para la evaluación de la operatividad del puerto y nivel de protección que brinda la estructura. ... Condiciones extremales. Son básicos para la selección del oleaje de diseño. • Transformación de las condiciones de oleaje a profundidades de diseño (desplante) ... Análisis de refracción. (necesario para condiciones normales y condiciones extremales). • Análisis de marejada de tormenta ... Aquí se realizan los cálculos de sobreelevación por efecto de marejada de tormenta. • Análisis de mareas y corrientes ... Estos se utilizan para obtener los niveles de referencia para construcción y ... Los efectos de encauzamiento y generación de fuerzas de socavación. • Análisis de transporte litoral ... Evaluación por efectos de azolve y erosión ... Esquema de balance de sedimentos. 18 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Para la definición de altemativas de diseño se tienen los siguientes pasos: • Definición del arreglo en planta '" Criterios para la definición del arreglo en planta • Selección de altemativas de estructuración de la sección transversal '" Cálculo del peso y tamaño de los elementos de coraza '" Cálculo del peso y tamaño de los materiales de las capas interiores '" Niveles de construcción '" Núcleo, Capa(s) secundaria(s) y coraza '" Estimación de costo de construcción '" Evaluación técnica de las alternativas y selección de la alternativa óptima. • Análisis de la longitud óptima de la obra de protección '" Estimación de niveles de operatividad '" Cálculo de la longitud óptima (i) Obras portuarias. Costo de construcción vs. Costo de espera (ii) Obras de encauzamiento. Costo de construcción vs. Costo de dragado. Para el diseño de detalle y procedimiento constructivo, se debe contemplar: • Recomendaciones especificas de diseño '" Cimentación; talones y geotextiles '" Conformación de taludes y densidad de empaque '" Corona; respaldos contra el volteo, pantallas deflectoras, superficies de rodamiento. • Procedimiento de construcción "'. Etapas de construcción. En la siguiente sección se analizan a detalle cada uno de los conceptos anteriormente mencionados. 11.2 Estudios Básicos de Campo El objetivo de los estudios básicos es dar datos adecuados, precisos y suficientes con un fin determinado, generalmente para la etapa de planeación, para el proyecto de estructuración o para el conocimiento de un fenómeno determinado. 19 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Los estudios físicos adquieren una gran importancia debido a que si son insuficientes o poco precisos, no es posible llegar a un resultado razonablemente digno de crédito, lo cual puede llevar en el caso más favorable, a diseños con factores de seguridad elevados, lo que reditúa en el incremento de los costos de las obras; en la peor situación, el diseño puede llegar a fundarse en parámetros menores a los recomendados, resultando una estructura subdiseñada. Por lo mismo, es necesario hacer una correcta programación y formulación de los mismos para garantizar el que se realice un buen proyecto. Los principales estudios físicos para las obras de protección se refieren principalmente a documentar las características topobatimétricas, geotécnicas y algunas veces geológicas del sitio donde se ubicarán estas obras, así como 105 procesos fisicos tales como el oleaje normal, el ciclónico, las mareas astronómicas y las generadas por tormentas; las últimas son de particular interés para el diseño de las obras descritas. 11.2.1 Selección del Sitio del Proyecto; Evaluación Morfológica de la Costa. El conocimiento del sitio donde se realizarán las obras de protección maritima con el objetivo de mejorarlo o habilitarlo, suele ser sumamente complejo. Esto implica un estudio a fondo de las caracteristicas generales que presenta el sitio aunado alas objetivos que se persiguen en el proyecto. Las obras de protección marítima se construyen generalmente en aguas someras, cercanas a la playa, por lo que es necesario hacer una evaluación de la morfología costera; esto implica el tener noción del comportamiento que puede presentar el sitio ante determinados fenómenos de acuerdo al material y al tipo o clasificación de que se trate. En 105 siguientes párrafos se hará una breve mención de la morfología de la costa. El término costa se define como la franja de terreno que constituye el límite entre tierra firme y un cuerpo de agua expuesta a la acción del oleaje y las mareas. La línea de playa marca la posición del nivel del agua en un momento determinado, nivel que experimenta desplazamientos diarios que oscilan entre las posiciones de la orilla por efecto de las mareas. 20 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN De acuerdo con Johnson (1970) las costas pueden clasificarse en función de las variaciones de la línea de costa, es decir, la traza del nivel del mar con tierra firme. • Ríos. Invasión de antiguos valles fluviales. Costas de Inmersión • Fjords. Invasión de antiguos valles de glaciares • Pacífico. Regresión paralela por erosión marina. • • Costas Neutras De origen coralígeno} De aporte terrestre Formación independiente de la variación del nivel del mar • De falla Costas de Emersión • Volcánicas Costas Mixtas Para clasificar las playas, Trask (1974) propone distinguirlas de acuerdo a su composición granulométrica, a través del diámetro medio (~) de las partículas granulares que las conforman. Es decir: • Playas Gruesas • Playas Finas • Playas Rocosas y Coralígenas 0.05 mm< tjl < 250 mm. Composición: arenas, gravas, guijarros y boleas. Están expuestas a la acción directa del oleaje. Los elementos constituyentes tienen un tamaño uniforme en una zona determinada. tjl < 0.05 mm. Composición: arenas muy finas y en su mayoría materiales limosos y arcillosos. Son características de áreas protegidas del oleaje. Presenta una cierta cohesión. Resultado de la fracturación de acantilados' y masas rocosas coralígenas. 21 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN El estudio del régimen de una costa requiere como una de las informaciones básicas determinar las fuentes de aporte de material playero; también es necesario conocer ciertas características físicas y quimicas del material. Entre las fuentes de aporte, se pueden distinguir: a) Material de aporte playero. Tiene su origen en playas adyacentes a la zona considerada y es llevado a ella por efecto del transporte litoral. b) Material de erosión costera. Es el resultado de la erosión de formaciones costeras, diferentes de las playas por la acción del oleaje. c) Materiales de origen terrígeno. Aporte continental hacia las playas por agentes tales como ríos o viento. Las principales características de los materiales playeros que se emplean en los estudios de régimen de costas son: Diámetro. Con base en un análisis granulométrico, generalmente se toma como diámetro representativo el 050 o diámetro medio (<1». En relación a esto. también se recurre a la determinación de otros parámetros como los coeficientes de clarificación y asimetría. Densidad. Contenido de minerales pesados. Esta análisis puede proporcionar excelentes informaciones sobre la fuente de origen de los materiales. En una playa se distinguen las siguientes partes (ver figura 11.1). La parte exterior de la playa se considera a partir de la línea de rompiente, playa afuera, el perfil del fondo es mas o menos uniforme sujeto solo a las variaciones producidas por el efecto del transporte en el sentido de la propagación del oleaje. En la zona de rompientes existen unas barras longitudinales, sensiblemente paralelas a la línea de playa formadas por la rotura del oleaje. Al pie de estas barras hay fosas que actúan .como canales para las conrientes longitudinales. Este sistema de fosas y barras se desarrolla mejor cuanto mayor sea la agitación. Al terminar la zona de rompientes se encuentra el estrán (foreshore) o cara de la playa: es la parte alternativamente cubierta y descubierta por el oleaje después de haber roto por completo. El estrán está limitado por la traza del nivel de mareas bajas y el punto de alcance máximo de la ola. Finalmente la berma playera debe su formación al aporte de material por efecto de la rotura de la ola, siendo mayor mientras menor es la 22 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN agitación. A partir de esta berma se inicia la zona seca de la playa y normalmente un sistema de dunas cuyas características y dimensiones son muy variables dependiendo de factores tales como pendiente de la playa, grado de agitación, orientación e intensidad de los vientos, vegetación, etc. Parte Exterior de la Playa Parte Interior de la Playa Zona de Rompientes Estrán Nivel de Marea Alta Nivel de Marea Baja Linea de Rompiente Barras Longitudinales ----~.. ..,.,;,::-:::: ... :.: .. :.; .... :.::;:.:.:.::.".>:.;.::,:..:.:: ... ...... /:;/.:-::.:-.:\.:.'---'... ~ Fosas Longitudinales Figura 11.1 Terminología General de un Perfil Playero. Zona Seca de Playa Berrna El tener conocimiento de las características generales de la zona y la morfología playeras, conlleva a efectuar los levantamientos topohidrográficos que permitan representar las condiciones físicas en que se encuentra el lugar. /1.2.2 Topografía y Batimetría Para el efecto de los estudios preliminares, se deberá obtener un levantamiento general de la zona. Mediante un levantamiento topo batimétrico se determinan las alturas y las profundidades de la costa. Este tipo de trabajos, se complican precisamente en la 23 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN zona de traslape entre la tierra y el mar, por lo que se requiere de procedimientos específicos debido al oleaje bajo condiciones de rompiente. Por otra parte, vale la pena mencionar que en este trabajo solo se describe de manera cualitativa las fases implícitas en un levantamiento topobatimétrico, ya que el estudio de los procedimientos y técnicas específicas para su conducción quedan fuera del alcance de esta tesis. Por lo consiguiente para llevar a cabo un levantamiento topobatimétrico, se conocen tres fases: • Construcción de una Poligonal Abierta de Referencia • Levantamiento de Secciones Referidas a la Poligonal de Referencia a) Secciones en Tierra Estos levantamientos se llevan a cabo igual que un levantamiento topográfico. b) Secciones en Mar Se ejecutan con cualquiera de los métodos existentes usando una ecosonda o sondaleza (según el nivel de profundidad) y algún método de posicionamiento y referenciación horizontal que puede variar desde el uso de dos tránsitos en tierra para medir por triangulación distancias y ángulos al punto de medición de profundidades, hasta el uso de sistemas satelitales GPS (Sistema de Posicionamiento Geográfico). • Elaboración de los Planos Respectivos Que incluye los siguientes trabajos: ~ Cálculo de coordenadas Procesamiento de la Información ~ ~ Representaciones Gráficas I ~ r Planos en Planta y Perfil de Levantamiento Topobatimétrico 24 I ---------- FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11.2.3 Mecánica de Suelos El proyecto de una obra de protección no puede efectuarse de una manera racional y satisfactoria, sin que el proyectista tenga como minimo una concepción razonable de las propiedades de los suelos. La investigación geotécnica es un importante paso preliminar en un proyecto de obras de protección. La exploración efectuada en altamar desde una embarcación o desde una plataforma temporal es cara, pero el costo de la misma es normalmente pequeño en relación con el costo de construcción a efectuar. Estas investigaciones tienen como objeto determinar la naturaleza del suelo, sus esfuerzos resistentes "in situ"; sus distribución granulométrica y sus grados de compacidad. En el caso de las arcillas, se requiere evaluar las caracteristicas de consolidación una vez alteradas. Las estructuras se deben diseñar de tal manera que se conozcan las propiedades del suelo en el inicio del proyecto y las propiedades que presentará el suelo al completarse la vida de diseño de la estructura, ya que las propiedades originales del suelo varian de acuerdo a las cargas recibidas. En general un incremento de esfuerzos normales sobre un elemento de suelo causa un incremento en la resistencia cortante y un decremento en la compresibilidad y en la permeabilidad; por otra parte, un decremento en los esfuerzos normales causa que se inviertan los efectos sobre el suelo. Los cambios producidos por una reducción de esfuerzos son usualmente menores que los causados por un incremento de esfuerzos de igual magnitud. Es importante mencionar que las corrientes pueden ocasionar socavaciones al pie de una estructura de protección, y dependerá en gran medida del tipo de suelo que se tenga en el sitio para determinar la resistencia de la obra. Pruebas en suelos no cohesivos. Las principales pruebas en este tipo de suelo son: compacidad relativa, granulometria, permeabilidad, densidad de sólidos, forma y dureza de los granos, contenido de agua (permite calcular la relación de vacíos, cuando se considera que el suelo está saturado y se conoce también su densidad de sólidos), contenido de cal (este 25 FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN factor es importante en la disgregación y remoción del suelo porque se refleja como cohesión, que incrementa las fuerzas de corte) y contenido de materia orgánica (esto puede ocasionar problemas de compresiblidad y capacidad de carga del suelo), Pruebas en suelos cohesivos La cohesión es el principal factor en la determinación de la resistencia al corte del suelos cohesivos, Las pruebas que se deben realizar son: granulometría con hidrómetro (es importante para definir la velocidad de sedimentación del suelo y la viscosidad de la suspensión formada por el agua y los granos finos menores de Q,Q10mm), peso volumétrico natural, límites de consistencia y contenido de agua (por medio de estos límites, se puede estimar en forma indirecta y aproximada la resistencia del suela), adhesión y viscosidad del suelo, 1/,2.4, Evaluación de Bancos de Materiales, Es importante tomar en cuenta los elementos existentes en los bancos de roca cercanos al sitio y que proveerán de material para la construcción de las obras, Esto y los requerimientos necesarios para la selección del material óptimo se presenta con mayor detalle a continuación, Para la construcción de obras de protección marítima, es necesario conocer los tipos de materiales (bancos de rocas) que existen en el lugar, para optimizar recursos, Cuando el material existente no cumple con las especificaciones del proyecto, se procede a utilizar elementos prefabricados, generalmente de concreto, 1/,2.4,1 Características de la Roca para la Construcción de Obras de Protección Marltima, Cuando se elige utilizar roca para la construcción de una obra de protección, se deben investigar los sitios donde obtenerla, las propiedades y características principales para tener el mejor rendimiento de los bancos de roca, 26 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCIÚN De acuerdo a José Vicente Orozco (1985), la obra de protección bien diseñada y construida con materiales apropiados, podrá sufrir algunos daños provenientes de un evento severo y rara ocurrencia; deterioros que podrán restaurarse a mayor o menor costo y tiempo, pero sin llegar a la falla total. Según Per Bruun (1990), existen once causas posibles o combinaciones de éstas por las que puede fallar una obra de protección construida de roca, estas son: 1. Desplazamiento por oleaje de fragmentos individuales en la coraza. 2. Levantamiento por subpresión de fragmentos individuales en la coraza. 3. Deslizamiento en conjunto de toda la coraza. 4. Rotura por fatiga gradual de fragmentos individuales en la coraza. 5. Socavación 6. Derrame de olas sobre la corona, con desplazamiento de fragmentos de coraza al lado interior de la estructura. 7. Deslave y erosión del núcleo causado por el efecto de la subpresión creada por el oleaje. 8. Erosión del talud al fondo. 9. Falla de suelo en la cimentación de la estructura. 10. Variaciones de resistencia entre fragmentos vecinos. 11. Mala construcción. En relación con lo anterior y para la elección de material para construcción de obras marítimas de protección, las propiedades de mayor importancia en las rocas son las siguientes: ;.. Tenacidad ., Hermetismo ., Inmunidad química Las características básicas de estas propiedades se presentan en la Tabla 11. 1. 27 No. FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Tabla 11.1 Caracteristicas de la Roca para Obras de Protección Propiedad Principal Caracterí sticas I Tenacidad Resistencia compresiva Resistencia en tensión Resistencia al cortante Resistencia al impacto Densidad relativa Absorción Susceptibilidad a la inmersión Coeficiente de fricción al deslizamiento Forma de fragmentos y número de los puntos de contacto Debilidades internas del fragmento: esfoliación, venas intrusivas,' fracturas y otros efectos intrusivos y de interperismo. J Hermetismo Porosidad Permeabilidad Inmunidad Química Integridad Volumétrica (Slacking). (Resistencia a desintegrarsel sumergido en agua de mar, ya sea total o parcialmente, así como en ciclos alternados de seco y mojado). Resistencia al ataque del medio ambiente atmosférico. En las siguientes tablas (11.2, 11.3, 11.4, 11.5 Y 11.6), se presentan los índices de calidad en roca para obras de protección según diferentes criterios. No. 1 2 3 4 5 6 Tabla 11.2 índices de Calidad en Roca para Obras de Protección Según PEMEX. Prueba de: Valor Requerido Resistencia a la compresión en estado húmedo 150 kg I cm2 mínimo Resistencia a la compresión en estado húmedo, 100 kg I cm 2 mínimo aplicando la carga paralelamente a los planos de la formación, cuando los haya. Absorción en por ciento 4 en porcentaje maximo Densidad Relativa 2.3 Minimo Resistencia al intemperismo acelerado. Pérdida 10 en porcentaje maximo de peso. Resistencia al desgaste determinada por la 40 en porcentaje maximo prueba de Los Angeles. 28 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Tabla 11.3 índices de Calidad para Roca Según la ASTM. No. Prueba de: Valor Requerido 1 C-170 Resistencia a la compresión: 400 kg I cm 2 Mayor de 2 C-127 Peso especifico mayor de 2.4 Ton I m3 3 C-97 Absorción 1 a 3x100 4 c-aa Pérdida de peso por acción del Sulfato de Magnesio menor de 3x 100 5 c-aa Pérdida en peso por acción del Sulfato de Sodio menor de 3x 1 00 6 C-535 Pérdida al desgaste Los Ángeles, en peso menor de 35x100 Tabla 11.4 índices de Calidad para Roca en Obras de Protección Maritima Según la Asociación Internacional Permanente de Congresos Sobre Navegación. No. Prueba de: Valor Requerido , I I I I I , I ! , 1 Compresión La mayor posible (10% I finos máximos en falla final). I I 2 Densidad Relativa >? - , - -.) , 3 Absorción de agua Fijar un limite aceptable I 4 Impacto Idem. 5 Solidez (Sanidad): Pérdida en solución de Idem. sulfato 6 Integridad volumétrica (Slacking), en Idem. inmersiones repetidas. 7 Forma prismoidal: relación de la dimensión 2.5 mayor a la menor permisible, hasta 29 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Tabla 11.5 Las Rocas Recomendables para Obras de Protección Marítima Fuente Grupo Clase Pemex Igneas Intrusivas (grano fino) Granito Diorita Igneas Extrusivas (grano fino) Riolita Andesita Basalto Toba Brecha volcánica Sedimentarias Calizas Travertino Arenisca Conglomerado Brecha PIANC Cualquier roca de cantera Local de calidad buena. Tabla 11.6 índices de Solidez Sugeridos para Seleccionar las Rocas Naturales a Utilizar en los Pedraplenes. Valores Tentativos de Marsal, 1972 Material Pa para Absorción Desgaste Los NOTAS d = 25 mm (kg) de agua Ángeles (%) % en peso Partículas duras > 1000 1 a 2.5 10 - 15 Pa = Carga de Ruptura del Partículas fragmento con tamaño (~) = 25 semiduras 500 - 1000 1 a 2.5 15 - 25 mm. Véase nota al pie de la tabla. Pa = P/x" en el cual: P = la carga Partículas que produce la rotura del primer blandas (algunas grano y, x, es el número de calizas, esquitos contactos en el fragmento de roca y, todas probado, con la dimensión media volcánicas < 500 2.5 a 15 >25 (~)=25 mm. en este caso. De acuerdo a los criterios anteriores, es posible seleccionar el tipo de roca que mejor convenga utilizar para la construcción de las obras de protección marítima, tomando en 30 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN cuenta diversos factores complementarios tales como la cercanía del banco de roca, el tamaño máximo de roca obtenible, etc. Sín embargo, como se mencionó anteriormente, cuando no se encuentran las propiedades adecuadas en algún banco de roca cercano a la obra, se recurre a los elementos prefabricados de concreto, cuyas características y propiedades deben también cumplir ciertas normas generales de calidad que se mencionan a continuación. 1/.2.4.2 Características de los materiales para elementos prefabricados. Normalmente el empleo del concreto en el mar constituye una prueba muy severa para la perennidad de este material, ya que las estructuras construidas con concreto pueden sufrir daños graves por los ataques químicos que recibe y el cambio de temperatura. Asimismo el agua de mar ataca al concreto armado por oxidación progresiva, además del ataque de ciertos organismos marinos, y si existen vertidos industriales, la situación tiende a agravarse. Sin embargo, se puede obtener un concreto resistente a la acción del agua de mar cuidando la compactación, calidad del cemento, los agregados, que pueden ser arenas y gravas naturales o productos disgregados. Deben ser limpios, duros, de baja absorción, de forma redonda o angular pero no aplastada. Es importante evitar agregados que reaccionen con el cemento o conduzcan a cambios físicos o quimicos después de la mezcla. El agua debe ser limpia y exenta de materias orgánicas. No existe, sin embargo, inconveniente en enjuagar los recipientes con agua del mar. El cloruro de calcio o los compuestos que lo integran no deben ser utilizados como aceleradores del fraguado en el cemento armado o pretensado. Otros aditivos como los plastificantes pueden utilizarse cada vez que se demuestre su ausencia de nocividad para el concreto o el acero. El concreto debe ser tan denso como sea posible para prevenir su fragmentación por corrosión de las armaduras. Se debe tener especial cuidado en la resistencia, sobre 31 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN todo en los bloques de forma complicada, ya que la rotura puede conducir a serios daños en la obra. 11.2.5 Procesos Costeros El estudio de los procesos costeros proporciona la información básica para elaborar posibles altemativas de solución. Los estudios más importantes deben documentar cuando menos los siguientes elementos: 11.2.5.1. Vientos Norma/es y Extrema/es Las caracteristicas del viento en un sitio particular del océano se logran conocer mediante observaciones y mediciones sistemáticas que se efectúan tanto en estaciones meteorológicas terrestres como sobre embarcaciones; sin embargo, existen muy pocas estaciones meteorológicas, por lo que es necesario recurrir a estimaciones de la velocidad y dirección del viento por medio de las cartas sinópticas del tiempo; estas describen las condiciones del clima en una amplia área y en un cierto momento. Las observaciones sistemáticas se realizan en todo el mundo, las cuales se transmiten por código a centros regionales, quienes a su vez lo comunican a centros de procesamiento de la información. Los datos se transfieren a un mapa de la zona respectiva de acuerdo a estándares numéricos y simbólicos que presentan los diferentes parámetros meteorológicos de la zona, dichos simbolos y cantidades se colocan siempre en la misma posición relativa con respecto al circulo de la estación excepto en lo correspondiente a velocidad del viento, movimiento real del buque y dirección de los vientos distantes, los cuales se dibujan de acuerdo con la dirección reportada. Una vez que se dibujan los datos, el meteorólogo diagnostica la situación atmosférica y se trazan las lineas de presión y la localización de los frentes. Las lineas de presión se indican por medio de isobaras, las cuales son lineas que unen los puntos que tienen la misma presión. Las lineas o curvas isobáricas delinean centros de alta y baja presión. En la figura 11.2 Se muestra un ejemplo de carta sinóptica del tiempo. Y ac” Los ON Point Arquero | Figura Il. 2 Ejemplo de Carta Sinóptica del Tiempo Si es necesario conocer la inestabilidad de la acción del viento, para estimar las condiciones de oleaje que produce, se puede estimar la velocidad del viento en la zona de interés infiriendo en las cartas sinópticas del tiempo, ya que existe una relación entre el viento y las líneas de presión. Se debe tomar en cuenta que además actúan las fuerzas de Coriolis y la de fricción, las cuales provocan un cambio en el movimiento. La fuerza de Coriolis es directamente proporcional a la velocidad del movimiento y a la latitud. Como una consecuencia de ella, los objetos del hemisferio norte que están en movimiento se desvían hacia la derecha, por ello. si se da ta espalda al viento que se mueve, la menor presión estará a la izquierda y la mayor a la derecha. En el hemisferio sur sucede lo contrario. Á este viento idealizado se le denomina Viento Geostrófico. Para conocer su magnitud puede utilizarse la figura 11.3 La velocidad del viento geostrófico se da en nudos a — o FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN ~ ' I \ 1/ / \ / / '.1 , ',~. ,n- i ra 11. j plo arta i óptica el i po ,,~' i s cesario ocer l in t bili d l ci n el i nto, ra ti ar dici es e l je e uce, de ti ar l l i d el i to l a i t s i firien o l rt s i pti s el tie po, e xiste a r l i n tre l i to l lin s e r si n. e be t ar enta e ás t n l f r s ~oriolis l e f ic i n, l al s can bio l ovimiento. f r a e oriolis s ire a ente r orcional l l i d el ovi iento l l ti . o o a secuencia ll . l j t s el isferio rt e t n ovi iento svían cia l r cha, r ll . i l alda l i t e ueve, l enor r si n t rá l iz i r a l ayor l r cha. n l isferio r ede l ntrarío. A ste i t id li o l o ina i to eostrófico. ara ocer agnitud de tiliz l fig r .3 l i d el i t ostrófico a n dos 33 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN a través de las lineas inclinadas. Se observa que para un cierto espaciamiento entre isobaras la velocidad del viento decrece con la latitud y para cierta latitud, la velocidad del viento se incrementa con el gradiente de presión. o ::;) 1- ~ W o en O o ..: oc c.9 Ó II o: C;§ o ~ o 1- Z w ::E ..: ~ Cl. en w .o E '" ~-------------------------..----~~.--¡~-,-¡iO.3 " .. ¿_')C10:.O D~L VIENTO ~(05TROfICO. V, EN NUDOS L80 ~Ot~.~~--~~-+--~~~~~C_~~~--i~r4---t~~7fj 2.2 2..4 2.6 ~~~~~~~~~ o.~ 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6 lB 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 5. ZO. 25' 30" 35· 40· 4:;- lO 50. S~· 6(7' 1SS"70 LATITUD EN GRADOS Figura 11.3 Escala de Viento Geostrófico ,.. '" ..,. ~ .. " ¡;; z ~ o '" " a>.. " n o Q ,. ,. o o '" o .... r ,. ~ ~ c: o Las fuerzas de fricción ocurren por el movimiento relativo entre el aire y la superficie de agua o terrestre, provocando una disminución en la velocidad del viento 34 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN geostrófico. En ausencia de fricción, es decir, a grandes alturas, cuando el viento sopla paralelo a las curvas isobáricas, se le denomina viento de gradiente o superficial. Para términos de cálculo del oleaje, los datos de viento que se utilizan generalmente son los geostróficos. En la zona de generación de oleaje (fetch), el crecimiento de las olas se define por tres factores: • La velocidad del viento • La longitud del Fetch en la dirección en que el viento está soplando • El lapso o tiempo en que el viento está soplando. El área del océano donde actúa el viento presenta en la superficie características irregulares, aquí se presentan las llamadas ondas de cresta corta en las cuales las partículas se comportan en condiciones tridimensionales de movimiento. 1/.2.5.2. Oleaje Al soplar el viento sobre la superficie del mar origina corrientes y oleajes, debido al esfuerzo tangencial que ocasiona sobre la superficie, que junto con las variaciones de presión sobre dicha superficie hace que el agua se mueva en una dirección de incidencia, con una velocidad que varia y genera un oleaje, al cual se denomina normal. Las olas formadas por el viento se conocen como ondas de viento (sea), de tipo forzado o de tormenta. Cuando el oleaje está libre de la acción del viento y se propagan hasta lugares remotos, a las olas se les designa como libres (swell). El viento afecta una determinada zona del mar y se deben tomar en cuenta las dimensiones de esa zona (fetch), el tiempo (duración) que actúa el viento y su velocidad ya que ellas afectan el crecimiento de las olas. La primera zona donde se genera el Oleaje se llama zona de generación (fetch) que, generalmente se presenta para la condición de aguas profundas. Al avanzar las olas, éstas se alejan de la zona donde fueron generadas y sus características son modificadas 35 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN ya que la acción del viento no influye sobre ellas. Esta etapa de propagación del oleaje se realiza en una segunda zona llamada de decaimiento, en la cual las olas decrecen en altura y se separan por periodos. Por último, al acercarse a la costa, las olas dejan de estar en aguas profundas y pasan a una tercera zona donde sufren modificaciones por efecto del fondo. Los limites del Fetch quedan delineados de acuerdo a la Figura 11.4 Por: 1. La costa en la dirección del viento 2. Los frentes meteorológicos 3. La curvatura de las isobaras 4. La separación entre isobaras. Figura 11. 4 Límites del Fetch Para definir la zona de generación con respecto a un punto en donde se desea conocer el oleaje que se presenta, es necesario considerar que el ángulo que forma la dirección del viento con la linea que une la zona de generación y el punto de presión debe ser menor de 30° en zonas donde las isobaras son casi rectas, y de 45° en zonas de isobaras curvas. Por encima de estos valores, los resultados pueden volverse muy inexactos. Entre las bases de datos visuales o fuentes estadísticas de información más comúnmente usadas en nuestro país se encuentran el Atlas Sea and Swell y el Ocean Waves Statistics. 36 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN El Atlas Sea and Swell contiene información correspondiente a observaciones efectuadas por embarcaciones en alta mar, principalmente en la década de los años 30. Estas observaciones fueron conjuntadas y analizadas para su publicación en forma de resumen estadístico por el Servicio de Oceanografía de la Armada de los E. U.A. Las observaciones están clasificadas como SEA, oleaje de generación local y SWELL, oleaje de generación distante. Los datos de oleaje se presentan agrupando las observaciones realizadas en un área o zona determinada. La presentación gráfica de las observaciones es una rosa doble de ocho puntas correspondiente a las direcciones de procedencia, en la cual el oleaje local se representa con una línea delgada y el distante con una línea gruesa (ver figura 11.5). Esta representación gráfica proporciona información sobre el número total de observaciones realizadas, divididas en cada una de las ocho direcciones de la rosa y clasificadas como oleaje bajo, medio y alto, dependiendo del rango de altura registrado. La información se presenta agrupada mensualmente, además en forma anual. Conforme al ejemplo mostrado en la Figura 11.5. los datos mostrados se describen a continuación. '¡.' ' / i ___ J Figura 11.5. Ejemplo de un Registro de Oleaje a) El número total de observaciones del oleaje local para todos los rangos de direcciones aparece en la parte superior izquierda (1326); el porcentaje de calmas con respecto al total de observaciones aparece en la parte superior derecha (23). 37 FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN b) El número total de observaciones del oleaje distante para todos los rangos y direcciones, aparece en la parte inferior izquierda (1204); el porcentaje de calmas con respecto al total de observaciones aparece en la parte inferior derecha (24). c) Sobre las líneas de oleaje local y distante, se anotan los porcentajes de observación de cada rango de altura de ola en la dirección respectiva, en relación al porcentaje total de la dirección que aparece en el extremo de la línea. Los porcentajes de los rangos se dan de bajo a medio, en el sentido del centro de la rosa hacia el exterior, siendo el porcentaje del rango alto el complemento al 100% de la suma de los otros dos, es decir para oleaje local se puede leer que el 18% de las observaciones provinieron de la dirección noroeste; estas observaciones se agruparon en los rangos bajo y medio 87 % Y 11 % respectivamente, por lo que el 2% (complemento de la suma de los otros dos), se agrupó en el rango de oleaje alto. d) Cuando el porcentaje total de observaciones por dirección es inferior al 15% pero mayor que el 6%, éste se indica para un solo rango, acompañándose por la letra B, M o A, significando respectivamente la presencia exclusiva de oleaje bajo, medio o alto. Los porcentajes totales por direcciones iguales o inferiores a 6% no son anotados en la rosa. Tanto el oleaje local como el distante, se dividen en los siguientes rangos de altura de ola: Tabla 11. 7 Rangos de Altura para Oleaje Local y Distante. Tipo de oleaje Bajo Rango (mI Medio Alto Local 0.30 - 0.90 0.90 - 2.40 > 2.40 Distante 0.30 -1.82 1.82 - 3.65 > 3.65 En ambos tipos de oleaje se considera calma a las alturas menores de 0.30 38 FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Por otra parte, las cartas del Ocean Waves Statistics también presentan observaciones visuales de embarcaciones en altamar. Los datos de estas cartas están formados a partir de cerca de l' 7500,000 observaciones efectuadas por más de 2,500 embarcaciones, cumpliendo así con un convenio internacional de observación. Estas cartas presentan el número de observaciones clasificadas para diferentes rangos de altura de ola, diversos rangos de período de oleaje y 12 direcciones. Las cartas vienen presentadas inicialmente por estaciones (diciembre-febrero, marzo-mayo, junio-agosto y septiembre-noviembre) y posteriormente por medio de un resumen anual. Tabla 11.8 Ocean Wave Statistics, Zona 22, Régimen Anual y Dirección Norte .~)(( 'JCf,)<;' n: '1: ----- - . - ._---- --- ,l ¡JO " ':. (o' " o: -;Q .- o 2 03 1 E 2' 1 1 , 0' 11 1 S 8 os S 7 3 1'1 06 7 ~ l' 07 2 t 08 , 09 10 12 2 l~ 1 < :-~lI f:"¡ .:.7 .'1 ", " La manera en que se presentan los datos de dirección, periodo y altura se muestra a manera de ejemplo en ,la tabla 11.8, cuyo contenido se describe a continuación: 39 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN La dirección se presenta en azimut en 12 rangos direccionales de 30° cada uno. A su vez cada rango está espaciado 10°; la dirección se muestra en el primer renglón superior. Los rangos de periodos se presentan de acuerdo a códigos, en el segundo renglón superior, por ejemplo el código 5 corresponde a un periodo de 10 a 11 segundos. Las alturas también se presentan de acuerdo a códigos establecidos en la columna del extremo izquierdo, por ejemplo, el código 04 se refiere a un rango de altura de ola de entre 2.00 m. En el interior de la tabla se reportan el número de observaciones asociadas a cada rango de periodo y altura de ola establecidos. En el renglón inferior y el extremo de la derecha de la tabla se muestran las sumas de las observaciones en forma vertical y horizontal respectivamente. Es importante señalar que las dos fuentes utilizadas tienen sus ventajas y desventajas, ya que por un lado si bien es cierto que el Atlas de Sea and Swell presenta sus datos para zonas más reducidas que las cartas del Ocean Wave Statistics, y por lo tanto más confiables, también ocasiona dificultades en su propio entendimiento al mostrar el oleaje local y distante separados. Por otra parte, las cartas del Sea and Swell no presentan los periodos de oleaje, lo cual es muy importante para el diseño de obras marítimas y los rangos de altura de olas son muy amplios. Otra forma de documentar el oleaje es a través de mediciones directas de oleaje que pueden ser de varíos tipos: • Contacto En este tipo se encuentra la ecosonda, que funciona conduciendo una función de transferencia y mide oleajes del orden hasta de 4 metros, • Transformador de presión En esta apartado se clasifican los ológrafos que transforman la presión a voltaje o a resistencia, se utilizan principalmente en aguas intermedias. • Web stabs 40 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Aquí se mencionan las boyas, que tienen una mayor precisión. Estas miden aceleraciones y las integran con respecto al tiempo para obtener los valores de oleaje. También se clasifica en este apartado la percepción remota por satélite. Miden el oleaje en aguas profundas e intermedias generalmente. • Fotografía y vídeo Con este método se mide el oleaje en aguas muy poco profundas de manera cualitativa con imágenes fotográficas. Cuando no existen datos derivados de observaciones visuales o mediciones directas, o cuando se decide tomar caminos altemos para documentar las características de oleaje, se puede recurrir a métodos altemos para pronósticos de oleaje. Para predecir el oleaje exísten principalmente dos tipos: de predicción con base en datos metereológicos ocurridos en el pasado (Hindcasting) y predicción con base en datos estimados (Forecasting). Existen díversas técnicas para la predicción en cualquiera de sus formas, desde las más sofisticadas con el empleo de datos de clima medidos y modelos matemáticos muy especiales, hasta técnicas relativamente simples, pero que son de utilidad para el proyecto de las obras. En virtud de que el oleaje real presenta alturas y periodos irregulares, se han establecido los términos de altura de ola significante H, y periodo significante T, para representar el oleaje real de una manera monocromática. Munk (1975) definió a la altura de ola significante como la altura promedio del tercio de las olas más altas de una muestra determinada de datos y estableció que sería igual a la altura promedio estimada por un observador experimentado. El periodo significante del oleaje que se obtiene de observaciones visuales corresponde al promedio de las 10 o 15 olas más grandes. En el caso de un registro, se utiliza el nivel medio del mar y se obtiene el promedio del periodo de todas las olas que cruzan este nivel. Si se tiene un registro de oleaje ordenados de mayor a menor, la frecuencia de ocurrencia de las olas se aproxima a la forma de una distribución estadística de Rayleigh. 41 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Este hecho permite estimar la altura promedio del tercio superior o estimar la altura de ola de una frecuencia dada en función de la altura significante. De acuerdo con esta distribución estadística, la probabilidad de que una altura de ola H sea más que cualquier valor arbitrario Hes: (11.1) Donde: Hrrns = Parámetro de la distribución, llamado raíz media cuadrática de la altura. P(H> H) = es el número (n) de olas mayores que H dividido por N que es el número total de olas en el registro. (11.2) Sustituyendo este valor en la ecuación que define la energía total por longitud de onda, resulta al considerar la energía total por unidad de área: (E) = gp_l ~ H' A 8 NL.. I E = Energía N = Número de olas g = Aceleración de la gravedad p = Densídad del agua H = Altura de ola individual /" (11.3) Sustituyendo n/N por P(H> H) en la ecuación de probabilidad y tomando logaritmos naturales en ambos miembros de dicha ecuación se obtiene: 42 y HOR (11.4) Que puede escribirse de la forma: Y (n) = a + bx (n) (11.5) Las constantes a y b se pueden determinar gráficamente o dibujando una linea de regresión de las observaciones. Los parámetros N y Hrms se pueden calcular a partir de a y b. El valor encontrado de N es el que proporciona la mejor adaptación entre la distribución de las olas identificadas y la función de distribución de Rayleigh que es generalmente un poco mayor que el número de olas realmente identificadas en el registro. Esto es razonable ya que algunas olas muy pequeñas generalmente se desprecian al interpretar el registro. Si todas las olas son consideradas, se deduce que su altura promedio es: H =0.886H (1.6) runs y la altura de ola significante queda como: H, =1.416H,,, =,P.H,,, (1.7) 11,2.5.3 Marea Astronómica La marea astronómica se define como la oscilación periódica del nivel del mar causada principalmente por la atracción gravitatoria de la Luna, el Sol y otros cuerpos astronómicos. Sin embargo por efecto de las mareas, existe el flujo de masas oceánicas a través del globo terrestre, conduciéndose por los canales que comunican a los océanos en las cercanias del Polo Sur. Estos flujos de masas oceánicas modifican el comportamiento de las mareas, ocasionando una alteración en el periodo en el cual se presenta un ciclo de marea completo. 43 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA El DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCIÚN Ln (n) = Ln (N) - (H~,;JH' ( . ) ue de cri ir e e a: ( ) x ) . ) s stantes den t r inar f ca ente i j do a in a r si n servaciones. s r etros r s den l ular artir . l lor contr do s l e orci na l ejor aptación tre l i t b i n e l s d ti ic s ci n e i t b i n e ayleigh e s eral ente co ayor e l ero l s l ente d ti ic as n l istro. sto s able e l as l s uy ueñas eral ente sprecian l retar l istro. i s l s n si eradas, duce e l r edio s: O.8 ,,,,, 1.6) l r e l i if nte eda o: , 1. 6H",,, =~2H",,, 1.7) / . . . area st ica area t ica fi e o cil ci n ri dica el i el el ar sada n p ente or l t ci n r vitatoria na, l ol t s r os t icos. i bargo or f cto e areas, xi te l j e asas ánicas r s el l o stre, uci dose r nales e unican anos r nías el olo ur. stos s e asas ánicas odifi an l portamiento e areas, si ndo a l i n l ri o n l al enta i l e area pleto. FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN El sistema formado por la Luna y la Tierra ejerce las fuerzas de atracción más relevantes que causan la elevación en el nivel del agua en algún punto de la Tierra, dado que el volumen de agua permanece constante, necesariamente en otro punto de la Tierra habrá una disminución en. el nivel del agua Las mareas presentan usualmente dos pleamares y dos bajamares en un dia lunar. Un día lunar tiene aproximadamente 24 horas y 48 minutos. Los diferentes tipos de mareas que se presentan durante la mayor parte de un mes se clasifican en tres, mismos que se ilustran en la Figura 11.6 y se describen a continuación: 1) Marea Diuma. Presenta una pleamar y una bajamar por día; 2) Marea Semidiuma. Presenta dos bajamares y dos pleamares por día; 3) Marea Mixta. Se caracteriza por tener dos pleamares o bajamares notablemente distintas. Sobre el último tipo de marea cabe decir que en algunas partes de la Tierra la diferencia de altura en las mareas el mismo día es muy notable. Esta desigualdad diuma se debe a que la Luna se mueve arriba y abajo del plano del Ecuador, y al empezar y terminar un periodo aproximado de 12 horas, un punto sobre la superficie terrestre ocupa diferentes posiciones respecto al plano de la órbita de la Luna. En México existe el departamento de Oceanografía dependiente del Instituto de Geofísica de la UNAM, el cual estudia y registra las mareas. 44 MAREA DIURNA '"' • 'ü I LLEN ~" , VACI m ¡;: 3 L • C. , ~ d 2 2 , '" • " " ;; 1 < " '" 'ü O d > • ¡;¡ ~ lO I /: 1\ I I I 1/ I I / I í I \ I I I I 1\ I I I \ I I I / """ I I I I I I I \l "¿JA I I I \.!/ - I AA I o 6 12 18 O 6 12 18 O 6 12 HORAS MAREA SEMI DIURNA '"' • 'ü : Pe ODO ¡;: 3 L • I C. , ~ d 2 2 , '" " • " ;; < " :2 u o d > • ¡;¡ )... ( I / 1\ / \ I , I / I \ \ / ..... \ I I I V I \. \ \ l! I - I O 6 12 18 O 6 12 18 O 6 12 H{RAS MAREA MIXTA • '"' 'ü ¡;: L 3 • c. , ~ d 2 , 2 '" " • " ;; 1 < " '" 'ü d O > • ¡;¡ h /" / \ ~ o/ / ~ V V N~" I "-V V V - O 6 12 18 O 6 12 18 O 6 12 tOlAS Figura. Ir. 6 Tipos de Mareas FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN De los registros medidos se pueden deducir los principales niveles de la marea o planos de referencia. Estos son: ¡;. Altura Máxima Registrada: Es el nivel más alto registrado en la estación por efecto de algún tsunami o ciclón. ¡;. Pleamar Máxima Registrada. Es el nivel más alto registrado debido a las fuerzas de marea periódico, o también q que tengan influencia sobre las mismas los efectos de condiciones metereológicas. ¡;. Nivel de Pleamar Media Superior: Promedio de la más alta de las dos pleamares diarias, durante el periodo considerado en cada estación. ¡;. Nivel de Pleamar Media: Promedio de todas las pleamares durante el periodo considerado en cada estación. Cuando el tipo de marea es diurna, este plano se calcula tomando el promedio de la pleamar más alta diaria. lo que equivale a que la pleamar media en este caso es lo mismo que la pleamar media superior. ¡;. Nivel Medio del Mar: Promedio de las alturas horarias durante el periodo considerado en cada estación. Jo. Bajamar Minima Registrada: Nivel más bajo registrado debido a la fuerza de marea periódica, o también que tengan influencia sobre las mismas los efectos de condiciones meteorológicas. ¡;. Nivel de Bajamar Media Inferior: Promedio de la más baja de las dos bajamares diarias, durante el periodo considerado en cada estación. Este plano es el que se utiliza como plano de referencia para el pronóstico de mareas de la Costa del Pacifico y Golfo de Califomia, mismo que utiliza el U.S. Coast and Geodetic Survey. Jo. Nivel de Bajamar Media: Promedio de todas las bajamares, durante el periodo considerado en cada estación. Cuando el tipo de marea es diurno. este plano se calcula tomando el promedio de la bajamar más baja diaria. ¡;. Nivel de Marea Media: Es el plano equidistante entre la pleamar media y bajamar media. 46 FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11.2.5.4 Corrientes Una corriente marina superficial se define como el desplazamiento de una masa de agua. Para su estudio, se toma en cuenta el agente generador de ésta. Las corrientes pueden ser producidas por la acción del viento, la variación de mareas y el oleaje y en ocasiones, llegan a ser de gradiente. Las corrientes oceánicas se generan por viento y gradiente de diversa indole. El viento las crea al arrastrar a las partículas superficiales de agua, las cuales a su vez actúan sobre las partículas más profundas, creando el flujo superficial de las masas de agua. Las corrientes producidas por viento tienen lugar solamente en mar abierto en zonas donde el viento sopla con la misma dirección e intensidad por espacio de varios días. En las proximidades de la costa de regiones de vientos variables, tienen lugar en ciertas circunstancias efectos secundarios caracteristicos, que provocan que las aguas profundas suban a las proximidades de la superficie. El cambio en la densidad el agua de mar por variaciones en salinidad y temperatura crean gradientes de energia, provocando así la ocurrencia de corrientes llamadas de gradiente. La elevación y descenso periódico del nivel del agua genera movimientos en las masas de agua, sobre todo en zonas costeras donde la comunicación con el mar abierto se encuentra relativamente restringida, creando las corrientes por marea. Se caracterizan por variar su dirección e intensidad con la marea, de manera que en mar abierto la envolvente de los vectores de velocidad en un período de marea es elíptica; el sentido del recorrido es, en el hemisferio norte, en el sentido de las manecillas del reloj, y en el hemisferio sur, es en sentido contrario, lo que pone de manifiesto que la influencia de la rotación terrestre es predominante. Las corrientes producidas por oleaje se generan por la evacuación del volumen de agua que ha sido empujado por la acción del oleaje. Sus efectos en las obras mari timas son determinantes. 47 FUNDAMENTOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Los métodos empleados para la medición de corrientes pueden dividirse en dos grupos: directos e indirectos. Los primeros consisten en hacer medidas con un aparato (corrientómetros) en el mismo punto. En el segundo caso, el uso de flotadores, consiste en unir al flotador a una pantalla o cualquier elemento sobre el que actúe la corriente, y se coloca a la profundidad a la cual se quiere medir la corriente. El conjunto se sujeta con una cuerda de longitud conocida. desde la embarcación y por una simple relación de longitud-tiempo se determina la velocidad de la corriente. Cuando se necesitan definir las trayectorias. los flotadores se sueltan libremente para observar su movimiento de translación y se van recogiendo en una secuencia prestablecida fijando la posición de la embarcación y los flotadores desde la tierra. 1/.2.5.5. Transporte Litoral Se denomina transporte litoral al movimiento de partículas a lo largo de la costa producido por el oleaje. Si el oleaje avanza de tal forma que las olas sean paralelas a la batimetría de la costa se produce un movimiento transversal cuyo efecto es la formación del perfil de la playa de acuerdo con las características del oleaje. Los movimientos longitudinales del sedimento se producen cuando las olas alcanzan las costas de forma oblicua. actuando de dos maneras simultáneas. La primera consiste en un transporte en zig-zag sobre la playa provocado por la subida de las olas en la dirección correspondiente con el ángulo de la rotura, y el retroceso de masa de agua hacia el mar, una vez perdida su energia, de acuerdo con la línea de mayor pendiente de la playa. La segunda forma de transporte, generalmente más importante que la primera. tiene lugar en la zona que se extiende entre la línea de rompientes y la playa y se crea bajo la acción de la componente paralela a la playa de la energía del oleaje. Esta corriente, casi permanente en el tiempo, es, a veces. de apreciable intensidad y tiene una considerable capacidad de transporte, puesto que se forma en una zona de fuerte turbulencia, debido a la rotura y donde existen abundantes sedimentos en suspensión susceptibles de ser transportados por corrientes 48 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Por otra parte, al producirse la rotura de la ola se crea una sobreelevación respecto al nivel del mar que provocará una corriente real, que junto con la incidencia oblicua constituyen el transporte longitudinal a la costa en la zona. En la parte que se extiende mar adentro de la zona de rompientes hasta una distancia en la superficie del fondo deja de ser agitada por la acción de la ola, las partículas de agua cercanas al lecho marino oscilan hacia atrás y hacia delante a medida que las olas se van propagando. Este movimiento oscilatorio provoca el levantamiento del sedimento del fondo y , cuando se invierte, se forma un remolino que agita el sedimento en suspensión, asentándose éste a continuación para ser inmediatamente levantado por la acción de la siguiente ola. Los procesos por los cuales el sedimento inicia el movimiento son por arrastre, rodamiento, salto y suspensión (Figura 11. 7) .:----. -. : -- ---- J : .. -. . <',- ' .. J . '. --, .. '- "" . ..' " Figura 11. 7 Procesos de inicio de arrastre de sedimento 11.3. Descrípción Teórica del Oleaje Como puede observarse, uno de los parámetros indispensables para el dimensionamiento de una obra de protección es el oleaje que incide de forma periódica sobre la estructura, por ende, es importante conocer la magnitud y características de este fenómeno. Existen diversos métodos para determinar la altura de ola que gobernará el diseño, como son análisis estadísticos de reportes de observaciones instrumentadas y visuales, o bien la aplicación de fórmulas empíricas que relacionan directamente la altura y periodo del oleaje con la velocidad del viento y/o la longitud del fetch, método que toma en cuenta la altura de ola significante (uno de los más utilizados) y los estadisticos de oleaje. A continuación se hace una recopilación y análisis de algunas teorias desarrolladas en torno a este tema. 49 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11.3. 1 Teoría Lineal del Oleaje El desplazamiento de la superficie libre del agua, considerando un oleaje armónico simple de pequeña amplitud, puede expresarse como: '1 (x, t) = a cos (ks - at) (11.8) donde '1 (x, t) es la variación de la superficie libre de un oleaje senoidal, función de la posición x y del tiempo t; a es la amplitud de ola moviéndose en la dirección x con velocidad: C=cr/k, a = 21lfT, k = 2¡¡/L Siendo a la frecuencia angular, T el periodo de la ola, k el número de la ola y L su longitud. (figura 11.8) . L 'l():.t) Cresta a - -' ~~- • , Valle d ----_.- Figura 11.8 Características del Oleaje La condición dínámica de la superficie libre, está considerada por la ecuación: '1 = 1/g (8 cplat )]z (11.9) La cual, se obtiene linearizando la ecuación de Bernoulli, tomando como constantes la presión en la superficie libre, la densidad y la profundidad, sin considerar la 50 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN tensión superficial. La función cp es el potencial de velocidades3 , el cual satisface la ecuación de Laplace al considerar el flujo incompresible e irrotacional, y g la aceleración de la gravedad. Asociando el potencial de velocidades con el desplazamiento superficial descrito por la ecuación (11.8) se obtiene:

}' R = 28.5~/anh[O.0873IB - 281]+ 12.~2 xp:w«. + 0.21'e 37.n ) 20.19J /'lp - * l\' sen B. /l/UI ( 7) U . 5 U 0.5 e u /IIUf ( 8) onde: e e lt ra ) ri o ) i i os, a i t cia el ntro el r cán. = efi i nte e a enta ri ci n l i d l i n. c 0 / r. t ces l lor a s al . . = l i d spl amiento el r cán /hr) II el ci ad el i to st nida edida 0 rri perficie el ar). /hr) = adio sta de ntan i t s ayor n i ad. /hr) " = r si n t osférica r al. n = 13 b) o = r si n l j el r cán b) ¿Jp= if r ncia r si nes. n - ° b) e tit d el j el r cán 0) 11' = el ci ad gular l . ;¡/ 2 /hr) U""" el ci ad áxi a el i to. ale na encionar e li d, l l aje enta o a l da e i j n rí o a l i d t r inada, i as i n, enta o l aje do or i t s ntos das). e nsti n portamiento njunto. no étodos pleados ra r cterizar l je o a da onocromática s t r inación l r l i if te s). l r l i if te r enta l edio el r i perior e l s i tr l aje bién nota o '13; uchos sos n niería stera. t l r e l i if te o l rí o i if te nsti n a r pi da r entación r cterísti s el al l aje. u li ci n ult i 63 ---- --- FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN en la caracterización de las condiciones de oleaje normal. Este método puede aplicarse a un tren de eventos extremos, para obtener la altura de ola significante. bajo ciertas consideraciones; el resultado obtenido será un valor que represente el tren de oleaje, sin que necesariamente sea el mayor valor del registro. Relacionado con ésta metodología. es posible obtener una altura de ola extrema o mayor, por ejemplo: • Altura de la ola undécimo: • Altura de la ola uncentésimo: • En general, altura de ola n-ésimo: H lile (el promedio del 10% de valores de altura mayores de una muestra aleatoria) H 1/1e: (el promedio del 1 % de valores de altura mayores de una muestra aleatoria) H 1m (el promedio del n% de valores de altura mayores de una muestra aleatoria) Para definir el oleaje de diseño. se siguen procedimientos de análisis que pueden incluir: el análisis de valores extremales, ajustados a una distribución de probabilidad, como el caso de la distribución Gumbel, o algún otro método aplicable para valores extremos. En éste caso, se realiza la correlación de valores extremales (por ejemplo, la mayor altura de ola ciclónica presentada en un año, sea medida, registrada o calculada) en una muestra que comprende varios años. A cada uno de estos valores se le asigna un número de orden, en función de su magnitud y por lo tanto, un periodo de retorno (dependiente del número de datos y del número de años que constituyen la muestra). Mediante el ajuste de estos valores a la distribución de probabilidad (recordando que la probabilidad de excedencia se puede representar a partir del período de retorno), se puede determinar un modelo que permita extrapolar valores de eventos asociados a períodos de retorno mayores a los del registro. Al definir un evento mediante la aceptación de un período de retorno de diseño (por ejemplo, 50 años), se define una altura de ola de diseño, la cual está relacionada a una probabilidad de excedencia y a un riesgo. La elección del criterio adecuado para determinar la ola de diseño depende de las características físicas que se presenten. Generalmente se elige un valor de ola menor que 64 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN la máxima dentro de una distribución de alturas, permitiendo con este criterio un nivel de riesgo al daño en la estructura, sin embargo, las fallas ocurren de forma progresiva al irse desplazando los elementos de la coraza sin que se pierda totalmente la protección; si se utiliza la máxima altura de un tren de oleaje, entonces no se permite daño alguno pero los costos se incrementan notablemente, El criterio de la ola máxima se refiere a la altura de la ola de diseño que puede ocurrir a la profundidad a que llega la obra, Para un oleaje periódico que avanza sobre un fondo con cierta pendiente, llega al punto en que se hace inestable y rompe; esa altura a la profundidad de rompiente son función precisamente del ángulo de inclinación de la playa y de la relación de esbeltez (H/L) en aguas profundas (ver sección 11.3,3), Cuando la profundidad es constante, la altura y profundidad de rompiente son función de la relación de esbeltez solamente, Para el caso de ondas de tipo solitario, en aguas de profundidad constante, el criterio de rotura es independiente de la relación de esbeltez (Macdonel, 1999), Selección de la Ola de Diseño La selección de la ola de diseño, depende de que la estructura esté sujeta al ataque de olas antes de romper, en rompiente y después de haber roto, Después de conocer y seleccionar las caracteristicas del oleaje en el sitio, el siguiente paso es determinar si la altura del oleaje en el lugar, está controlada por la profundidad de agua, Si la profundidad del agua no controla la altura del oleaje, entonces existirá una condición de oleaje no rompiente, En este caso, debe basarse la selección de la ola de diseño en un parámetro estadistico seleccionado con el tipo de estructura, De manera práctica, la ola de diseño puede seleccionarse de la siguiente forma: para estructuras rígidas, donde una ola muy alta dentro del tren de olas puede causar la falla de la estructura, la ola de diseño deberá basarse generalmente en H1f100 , que es la altura promedio del 1 % de la olas más altas; para estructuras semirígidas, la ola de diseño debe seleccionarse dentro de un rango de H1fl0 a H,1100 ; para estructuras flexibles, como son las de enroca miento, la ola podrá ser la H1f3 ' (H,) o altura de ola significante; excepto en casos extraordinarios, FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11.4.4. Marejada de Tormenta La marejada de tormenta es un fenómeno que se presenta cuando los ciclones o huracanes que tienen vientos muy intensos originan una corriente superficial que obliga a que el agua circule. En profundidades someras el flujo de agua se apila sobre la costa incrementando el nivel medio del mar. Este fenómeno toma más importancia cuando la pendiente de la placa continental es más tendida y existe poca profundidad. La marejada de tormenta se produce debido a un disturbio atmosférico que se caracteriza por vientos fuertes que pueden se acompañados o no por lluvias. Se caracteriza por sobreelevaciones anormales del nivel del agua en las partes poco profundas y cercanas al perímetro de los cuerpos de agua. Las ecuaciones hidrodinámicas que describen este fenómeno son la ecuación de continuidad de la conservación de la masa y la ecuación de movimiento que expresa la segunda ley de Newton. Para calcular la sobreelevación producida por estas perturbaciones atmosféricas, se conoce el método de Keulegan. (Macdonel, 1999) para lo cual se aplica la siguiente ecuación, en el caso de plataformas continentales. Donde: s = - ( k V 2 X I g ( H, - H - S ) ) In ( H, I ( H + S ) ) s = Sobreelevación del nivel del mar por efecto del viento (m) H, = profundidad en el borde de la plataforma (m) H = Profundidad de la costa (m) V = Velocidad del viento huracanado (mis) x = Distancia desde el borde continental hasta la costa (m) g = Aceleración de la gravedad (m) k = Coeficiente de esfuerzo del viento (3x10 -6) 66 (11.29) FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Otro método es el de Per Brunn (Per Brunn, 1990) toma en cuenta la influencia que tiene el gradiente de presión asociado. Este método considera la siguiente expresión. Donde: Sp = 0.13(Pn - Po) (1- E)I-Rl<) Po = Presión en el centro del huracán Pn = Presión normal R = Radio del viento máximo (11.30) r = Distancia radial desde el centro de la tormenta al punto de cálculo sobre una línea transversal Sp = Sobreelevación. 11.4.5. Determinación de Condiciones de Rompiente y no Rompiente Generalmente las obras de protección marítima se localizan en profundidades donde el oleaje puede romper sobre de ellas, sin embargo, se presentarán condiciones de oleaje no rompiente, en zonas protegidas o en áreas donde el fetch es limitado y, cuando la profundidad de aguas frente a la estructura es mayor que 1.5 veces aproximadamente la altura de ola máxima esperada (Aguilar et al , 1975). En estudios preliminares. se consideraba que una estructura localizada en una profundidad de agua d (respecto al nivel de diseño), donde d < 1.3 H. H es la altura de ola de diseño, se vería sujeta a olas rompientes. Un estudio posterior del proceso de rompimiento de una ola, indica que éste criterio no es necesariamente válido. El punto de rompiente de una ola se define generalmente como la posición a partir de donde comienza el proceso, es decir, donde la parte frontal de la ola empieza a ser vertical, o donde la cresta de la ola se empieza a enrizar sobre su cara frontal. Entonces, el punto de rompiente es un punto intermedio en el proceso de rompimiento, entre el estado o etapa de inestabilidad y la zona de rompimiento completo. Por lo tanto, la profundidad que inicia el proceso de rompimiento se encuentra distante de la estructura, dando como resultado que la ola rompa directamente contra la misma. 67 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Hedar (1979) sugiere que el proceso real del rompimiento de una ola se extiende a través de una distancia igual a la mitad de longitud de ola en aguas reducidas; esta longitud de ola es función del nivel de profundidad de diseño en esa distancia mar adentro. Sobre pendientes relativamente planas, la altura resultante de una ola rompiendo contra la estructura variará solamente una pequeña cantidad en relación con el nivel de profundidad de diseño que se tiene en la base de la misma mientras que en una pendiente aproximadamente de 1: 15, podria incrementarse la altura de ola rompiente desde un 20% hasta un 80% dependiendo de la longitud de la ola o su periodo. Los estudios de Galvin (1980), indican la existencia de una relación entre la distancia de recorrido de una ola rompiente después de haber roto y la altura de ola en la rompiente (Hb). Los resultados indican que una rompiente efectúa su proceso de rompimiento sobre una zona que se extiende hacia la costa en una longitud aproximada de 6 a 7 veces la altura de ola desde el punto inicial de rompiente. Tomando esto en consideración, se sugiere que la determinación de la ola de diseño para condiciones de ola en rompiente se base sobre una profundidad de agua aproximada de 7 alturas de ola rompiente (Hb)· Mitch (1964) sugiere usar la siguiente fórmula para obtener la altura de ola de rompiente: H 2Jrd -' = O.14/allh--' L, Lh Donde: Hb = Altura de ola rompiente Lb = longitud de Ola rompiente db = Profundidad de rompiente (11.31) 11.4.6. Nivel de Coronamiento para Construcción y Protección. Recordando que la principal función de las obras de protección es proporcionar abrigo adecuado contra la acción del oleaje. uno de los principales factores para su diseño es si se puede o no aceptar rebase de agua sobre la estructura. 68 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Los factores que determinan que exista rebase y en qué cantidad, son la elevación de la corona sobre el nivel máximo de diseño y la altura de sobreelevación del oleaje R, al llegar a la estructura. La elevación para la corona deberá ser la menor posible que proporcione la protección requerida. La sobreelevación del oleaje depende del grado de porosidad de la coraza. El ascenso máximo o Run up determina el nivel de coronamiento necesario para evitar rebases en obras de protección. En el subcapítulo 11.3.3.4 se presentan los detalles de este fenómeno y las referencias para las principales formas de cálculo que existen. Una vez obtenidos los valores correspondientes a la altura de ola por efecto de mareas (astronómica y de tormenta), nivel de oleaje de diseño y alcance de ola, se obtiene el nivel de coronamiento para una estructura de protección con rebase de ola. Si por el contrario, éste fenómeno afectara las funciones de la estructura, se calcula el bordo libre, cuyo valor generalmente se acepta de 0.6 m. En la Figura 11.14 se muestra un esquema para el cálculo del nivel de coronamiento, dependiendo de si se acepta rebase o no de oleaje. Figura 11.14 Esquema para el Cálculo del Nivel de Coronamiento 69 BL _____ RUN UP (R) _______ NPM (NPMS) 0.00 m NBM(NBMi) FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 1/.5 Transporte Litoral El estudio del transporte litoral producido por la acción del oleaje es un caso muy complicado. Diversos investigadores han tratado de encontrar una expresión que permita calcular la cantidad de material que transporta el oleaje basados en casos especificas que permitan una generalización del problema, sin embargo no se han obtenido resultados satisfactorios que representen el fenómeno de una manera real. Por otra parte la obtención de datos necesarios para la evaluación del transporte en la mayoria de los casos es muy difícil y costosa por la falta de equipo apropiado, por lo cual se recurre ya sea a datos de tipo generala muy limitados que no permiten tener una visualización total del problema. No obstante, a continuación se presentan como referencia teórica. 11.5.1 Criterios de Cálculo de Transporte de Sedimentos Munch-Petersen, propuso para la zona del Mar Báltico la siguiente expresión que trata de relacionar el transporte litoral con las características del oleaje y condiciones metereológicas. º = kV! p,.Dsen a en donde: º = Capacidad de transporte del oleaje. v= Velocidad del viento. (11.32) p.. = Frecuencia del mismo en porcentaje del periodo considerado. D = Duración de la acción del viento a = Ángulo que forma la dirección del viento con la línea de playa. Esta expresión fue posteriormente modificada por Knaps (1977) de la manera siguiente: º = KV'p,.JDsenacosa (11.33) 70 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN y hubo intentos adicionales para tratar de expresarla en función de las características directas del oleaje en cuanto a su amplitud, periodo, tiempo de acción y ángulo de incidencia. Por otra parte, Watts (1978) trató de cuantificar los volúmenes de sedimentos acarreados por el oleaje en South Lake Wort Inlet. de las costas de Florida, U.S.A" encontrando para el caso particular con diámetro medio del material playero de O.3mm. la siguiente expresión: Q,. = 240E,09 (11.34) Lee (1978), en trabajos realizados en la zona del Lago Michigan encontró que el transporte litoral podría ser expresado por la forma: Q = KE o09C , , (11.35) Por su cuenta, Caldwell (1978) efectuó una serie de mediciones en una playa de 5 km en Anaheim Bay, California, U.SA, y relacionando los volúmenes de área en diferentes secciones de la playa con la energía del oleaje incidente encontró que: Q = KE = 13SE , , , (11.36) Larras propone en una de las fórmulas más conocidas que el transporte sea valuado de siguiente forma: Q = KgH 2 Tsen( ¡a ) en la que: Q = Gasto sólido por unidad de tiempo H = Altura de ola T= Periodo 71 (11.37) FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN a = Ángulo de incidencia del oleaje K = Función adimensional que depende de la relación de esbeltez del oleaje y de las características del material playero. En cualquiera de las fórmulas anteriores, la determinación del valor de K es un punto crítico para la evaluación del transporte y aunque se continúan realizando estudios tanto de campo como de laboratorio a la fecha no ha sido posible llegar a un valor específico. Sin embargo, los estudios realizados en el Laboratorio Nacional de Hidráulica en Chatou, Francia, a partir de 1959, han permitido obtener un valor de esta relación que aplicado a las costas mexicanas ha dado resultados bastante satisfactorios ya que han permitido la evaluación del transporte litoral y en la mayoría de los casos ha podida ser verificado por diferentes métodos. Esta expresión es de la forma siguiente: Q = KD'Y;( :;JgTH 2lSen2a (11.38) donde: K = Su valor varía de 0.118 X 10 -5 a 0.3 X 10 -5 según el tipo de perfil playero. D = Diámetro de sedimento (mm) Lo = Longitud de onda en aguas profundas Ho =Amplitud en aguas profundidad H = Altura de oleaje antes de rompiente T = Periodo de oleaje a = Ángulo de incidencia 1= Tiempo de acción El valor del transporte está dado en m' por el tiempo de acción t . 11.5.2 Esquema de Balance de Sedimentos Una playa está en constante evolución afectada principalmente por los factores físicos y metereológicos, de acuerdo a estos procesos, existe aporte y pérdida de sedimentos. 72 FUNDAMENTOS BAslCOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCIDN Para hacer una evaluación cualitativa de la cantidad de sedimentos que se transportan a lo largo de la playa, se presenta el siguiente esquema que muestra de manera general los diferentes factores de aporte y pérdida de sedimentos en la playa. Aportados por Ríos Rellenos Artificiales Pérdidas en el F'nnrln M::.rinn Arrastrados Hacia Tierra Adentro APORTE DE SEDIMENTOS A LA PLAYA Generados por Erosión en la Línea de Costa y Acantilados PLAYA Transporte a lo Largo de la I ínp;::¡ rlp. r:nd::. Arrastrados Desde Tierra Adentro Arrastrados Desde el F=nnrln M~rinn Extracción de Material n::lr:=¡ r.nn~tn Ir:r.inn Reducción del Volumen por Intemperismo y Desgaste PERDIDA DE SEDIMENTOS DE LA PLAYA Generalmente, en el aporte de sedimentos a la playa contribuyen los ríos, o el material de erosión en la línea de costa y acantilados, también pueden ser arrastrados desde tierra adentro o desde el fondo marino (por las corrientes y el oleaje). o rellenos artificiales. Las pérdidas de material pueden deberse a diversos factores, entre ellos por la extracción de material para construcción, o procesos naturales como intemperismo y desgaste, arrastre hacia tierra adentro o pérdidas en el fondo marino así como el transporte a lo largo de la línea de costa debido a corrientes y oleaje. 73 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN 11.5.3 Crecimiento Playero al Pie de Obras de Protección Marítima. Una obra de protección interpone una barrera litoral total entre aquella parte de la zona litoral que se encuentra al extremo mar adentro de la estructura con un valor igual al del transporte litoral, y una erosión del mismo volumen del lado contrario. La cantidad acumulada depende de la longitud de la escollera y del ángulo con el cual la resultante del oleaje que actúa sobre la playa. Si el ángulo que forma la estructura con la costa es agudo, la capacidad de azolve es menor que si éste fuera obtuso. En el caso especifico de los rompeolas, se presentan patrones de depósito y erosión, sin embargo el depósito en este caso no se limita al brazo de la costa, sino que eventualmente se prolonga después del extremo mar adentro del lugar a un área de amplio depósito. Este tipo de azolve, origina una condición ideal para llevar a cabo procedimientos mecánicos o hidráulicos de transporte de arena. El ejemplo más critico de crecimiento playero es con los espigones, recordando que los espigones son estructuras cuyo fin es modificar el régimen de una playa con cualquiera de los siguientes objetivos: • Estabilizar una playa • Aumentar su ancho • Evitar retrocesos peligrosos Sus efectos sobre la linea de playa dependerán básicamente de: 1. Tipo de Transporte 2. Longitud con respecto a la linea de rompientes. Cuando el transporte es por lo alto de la playa, la presencia del espigón dará como resultado la linea de playa que aparece en la Figura 11.14 74 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN Depósito de Materiales. / Erosión Gruesos ./-____ _ \ , Linea de Playa Original • m ..... I-----Espigón Figura 11. 14 Espigón en Transporte por Encima de la Playa Si el transporte es por la zona de rompientes entonces adoptará el perfil presentado en la figura 11.15 Erosión _ ----1---------~- Depósito de Materiales _.-------- " " ...-/-" \ _.J _______________________ _ _____________________ _ Transporte por Zona De Rompientes Figura 11. 15 Espigón en Transporte por la Zona de Rompientes 75 FUNDAMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE PROTECCiÓN En el primer caso se tendrá la influencia en cuanto a la capacidad de retención, en tanto que en el segundo, su funcionamiento dependerá de la longitud. Teóricamente si el obstáculo llegase hasta la linea de rompientes solo un pequeño porcentaje del transporte pasaria por su extremo. 76 EVALUACION DE AL TERNATIVAS DE DISEÑO 111. EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.1 Criterios para la Definición del Arreglo en Planta Cualquier obra portuaria, por compleja o simple que sea, forma parte de un elemento de liga entre dos medios diferentes de transporte, por lo tanto, es natural, que cualquier proyecto sea iniciado estableciendo su liga con las vias de comunicación terrestres existentes, procediendo a su dimensionamiento de acuerdo a las características de estas y del medio de transporte marítimo a utilizar (buque de diseño) así como los correspondientes estudios de mercado para los diferentes tipos de carga que se van a manejar. Para dimensionar las obras de protección para un puerto, se debe considerar el abrigo necesario, definiendo la planta de las obras en base a la batimetria, planos de oleaje, etc. Entre las soluciones posibles de arreglos de obras de protección se tiene la siguiente clasificación. • Obras Paralela~ a la Costa. Esta solución suele usarse en puertos exteriores ganados al mar, no muy alejados de la costa, o bien cuando no se disponga de terreno tierra adentro (por la cercanía de una ciudad o por terreno rocoso) (Ver Figura 111.1-1). • Obras Convergentes Este tipo es muy utilizado en busca del calado necesario para la boca de entrada. En este caso se debe tener cuidado con las áreas de agua disponibles ya que el puerto quedará encajado entre las obras (Figura 111.2-2). 77 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO • Obras Perpendiculares a la Costa Este tipo de obras se proyectan normalmente en puertos fiuviomaritimos o puertos creados en tierra (mediante dragado, Figura 111.3-3), donde existe la necesidad de estabilizar y encauzar una boca de comunicación o descarga que a su vez sirve como obra de navegación. 1. Obras Paralelas a la Costa. 2. Obras Convergentes J ~ ________ ! __ n __ --- •• ;-.; •••• ::--" •••••••• :,; ! 3. Obras Perpendiculares a la costa Figura 111.1 Diferentes Arreglos para Obras de Protección Marítima. 78 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.2 Criterios para el Diseño de los Elementos de Coraza y Sección Transversal. El conocimiento sobre las características del oleaje que incide sobre el talud de las estructuras marítimas y de las fuerzas que intervienen entre las piezas en la coraza, ha permitido el desarrollo de principios racionales para su diseño. Uno de los parámetros más importantes para garantizar la integridad física de la capa de coraza es el peso propio de los elementos que la conforman, mismo que deberá soportar cierto oleaje con un criterio de daño preestablecido. Este criterio de daño se interpreta como una tolerancia aceptada por parte del diseñador para que en caso de presentarse las condiciones de oleaje de diseño, solo un número determinado de piezas van a ser desplazadas desde su posición inicial, considerándose las mismas dentro de una superficie de talud determinada; así un 5% de daño que es un valor comúnmente aceptado de diseño, significa que en una superficie determinada de talud con n elementos conformándola, solo el 5% de ellos podrán sufrir desplazamiento. Dos métodos ampliamente utilizados para determinar el peso necesario de las piezas de la coraza son: el método de Hudson (1958). basado en el coeficiente de estabilidad kD y el de Van der Meer (1993), el cual toma en cuenta la función de estabilidad. 111.2.1. Método de Hudson Una manera de realizar los cálculos de peso de los elementos es utilizar directamente la fórmula de Hudson, que toma en cuenta el coeficiente de estabilidad kD En 1952 Hudson, modificó las fórmulas que Irribarren había presentado para el diseño de estructuras de enroca miento en 1938 y 1950; empleando las mismas suposiciones y diagramas de fuerzas para obtener un coeficiente adimensional. En 1958. amplió este trabajo hasta desarrollar una fórmula nueva para determinar los pesos de los elementos de la coraza, esta ecuación se basa en resultados de años de experimentación en modelos y en verificación sobre datos de prototipos. 79 ESTA TESIS NO SALlE DE LA BIBLiOTECA EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO La fórmula de Hudson es la siguiente: y H' W = "s k,,(Sr -1)' COI a Donde: W = Peso de los elementos (Ton) H s = Altura de ola de diseño (m) k" = Coeficiente de estabilidad y, = Peso especifico del elemento (Ton/m3 ) y w = Peso especifico del agua de mar (Ton/m3 ) ce = ángulo de acomodo de la coraza (grados) Sr = y, / Yw (111.1) Se debe considerar que los diferentes valores del coeficiente adimensional ko que aparece en la ecuación 111.1 no toman en cuenta el talud, la altura de ola, el peso volumétrico de los elementos y el fluido en el cual se colocan; las variables que influyen son: la forma de los elementos de la coraza. el grado de anclaje y la forma del oleaje en el momento de actuar sobre la estructura. Tampoco considera el ángulo de incidencia del oleaje, pese a que la experiencia ha demostrado que puede ser un factor importante. sobre todo cuando las olas rompen sobre la estructura. El coeficiente ko no considera daño permisible en la estructura. Esto obliga a diseñar con un alto porcentaje de seguridad, pero las piezas pudiesen estar con un sobrepeso, por lo cual, a fin de tener inversiones iniciales menores, es posible considerar en el diseño que se pOdria aceptar un porcentaje de daño. Esto se puede lograr aumentando los valores de ko Es importante mencionar que no hay problema al aumentar un poco el valor de ko, en virtud de que durante la construcción existen asentamientos y reajustes en la interconexión de elementos que pueden hacerla más estable que la estructura original. 80 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO El peso derivado de las fórmulas de Hudson está en relación directa con el peso específico de las unidades de coraza, ya que la estabilidad de la estructura es función de éste. La Tabla 111.1 muestra los valores sugeridos de ko para el caso en que la coraza se construye a base de enrocamiento, así como cuando se utilizan elementos prefabricados (Sección 111.3), bajo el criterio de no daño y rebase mínimo. Para diseñar una obra de protección marítima a talud, después de obtener los pesos de la coraza con cualquiera de los criterios anteriormente descritos (seleccionado a partir de una cuidadosa revisión y adecuación acorde a las necesidades y las condiciones físicas prevalecientes en el sitio, lo cual se mencionó en el Capitulo 11), se prosigue a encontrar los pesos de las capas interiores y los espesores correspondientes; calculados dependiendo de las condiciones de oleaje actuando sobre el talud, rebase de oleaje y la diferencia hidrostática que produce subpresión, la cual tiende a mover los elementos prefabricados. Si la corona se encuentra a una elevación donde no existe rebase de oleaje, teóricamente el peso de los elementos dependerá de la acción del oleaje de menor intensidad y de la porosidad de la estructura. Cuando si existe rebase sobre la estructura, los elementos de la primera capa protectora se deben prolongar sobre el talud posterior hasta el nivel de bajamar mínima registrada. El peso de los elementos de la capa secundaria hasta profundidades entre - H Y -1.5 H, deberá ser igualo mayor que la mitad del peso de los elementos de la primera capa y bajo - 1.5 el peso requerido puede reducirse a W/15 para el mismo talud (ver Figura 111.2). Para condiciones de oleaje rompiente, los elementos de la coraza deberán abarcar toda la altura de la estructura (ver Figura 111.3). El espesor de la capa secundaria desde -H hasta el fondo puede ser igualo mayor que el correspondiente a la primera capa o coraza. 81 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Tabla 111.1 Valores Sugeridos de ko para Diferentes Elementos Prefabricados Criterio de No Daño y Rebase Mínimo - Cueroo de la estructura Morro de la estructura Elemento Na Modo de K'o ko Pendiente Prefabricado colocación Oleaje Oleaje no Oleaje Oleaje no Rompiente Rompiente Rompiente rompiente Cot e Enrocamiento Roca lisa 2 Al azar 1.2 Roca lisa >3 Al azar' 1.6 Roca rugosa 1 Al azar Roca rugosa 2 Al azar 2.0 Roca rugosa >3 Al azar 2.2 Roca rugosa 2 Colocado' 5.8 Cubo Modificadoc 2 Colocado' 7.0 - 20.0 retrapodo y 2 Al azar 7.0 :uadripedo rribar 2 Al azar 9.0 )olos 2 Al azar 15.8h ~ubo Modificado 2 iexapodo Al azar 6.5 ~oskane 2 -ribar 2 Al azar 8.0 :nrocamiento 1 Al azar 11.0 Ingular graduado - Uniforme 12.0 Al azar 2.2 .. n es el número de capas de elementos en la coraza b Aplicable a inclinaciones desde I : 1.5 al: 5 2.4 1.1 1.9 1.5 3.2 1.4 ' 2.3 2.9 2.3 1.9 3.2 4.0 1.6 2.8 1.3 2.3 4.5 2.1 4.2 7.0 5.3 6.4 8.5 - 24.0 I -- 1 ; 5.0 6.0 8.0 I 4.5 5.5 3.5 4.0 I 8.3 9.0 10.0 7.8 8.5 1 6.0 6.5 1 8.0 16.0 31.8h I 7.0 14.0 I 7.5 I ------ 5.0 I 9.5 5.0 7.0 22.0 ------ ------ 15.0 7.5 9.5 , 2.5 I ------ -------- , Piedra formada como paralelepípedo: piedra un poco plana cuya dimensión de largo es cerca de tres veces más su dimensión más corta. d El uso de una sola capa de unidades de enrocamiento no es recomendable para estructuras sujetas a oleaje rompiente y solo bajo condiciones especiales para estructuras sujetas a oleaje no rompiente. Cuando se hace esto, la piedra debe ser colocada cuidadosamente. 'Colocación especial con el eje longitudinal de la piedra colocado perpendicular a la cara de la estructura. f Importante: Los valores de ko en itálicas no han sido probados. y son proporcionados solamente para propósitos de diseños preliminares. g Hasta tener más información acerca de la variación de ko con respecto a la inclinación, el uso de ko debe limitarse a valores de pendiente desde 1: 1.5 a 1:3. Algunas pruebas con elementos en la coraza de la estructura indican que existe una dependencia entre el valor de kD y la pendiente. a 9 1.5 2.0 3.0 G G 1.5 2.0 3.0 1.5 2.0 3.0 2.0' 3.0 G G G G h Referido al criterio de no-daño « 5 % de desplazamiento para roca): si no es enrocamiento (<2%) reduce el valor de kD en un 50 por ciento (Zwambom y Van Niekerk. 1982). 'La estabilidad de dolos en pendientes más inclinadas de 1:2. debe ser probada por modelos especificos de sitio. 82 3.0' ; i ! i I I , I , , , I I I Ariho Je Corona QM Dreta AM Min Diseño on mimo -D0,5H W;10 to Ww?/15 WwY200 W/4000 lo W/6000 a Me e a. SESCION MULTICAPA ¡DEAL WITÓ to W/15 / Taraño Pedra Tamaño Piedt Caza Oruro? w Capa Pnatia de Zotaza $25 to 75 Ha Altura de Ota Wa A, Lips Secuncana 135 19 75 Wa Pero rlementor PO YU W/tO Y Wen06) Primera Casa Zuispecundaria 1% 19 70 re Esperor prormeces de Las capón W/700 Segunda Capa Subsecundar:a 139 lo 39 W/4000-W/8000 — Mucieo y Plertita 170 to 30 Ancho ye 20:90) NAM Mj Dicho HEM Atin Oisaño -1,5H 2 -20H W/10 to W/1S W/200 lo WI5000 —4.” RECOMENCACION DE SECCION “RICAPA Figura 11.2 Enrocamiento a Talud para Condición de Ola no Rompiente Ancho de corona SECCION MULTICAPA ¡DEAL Rock Sito Tamaño Piera Capa Gradailon 1%) w 303 de Corara 1253 10 73 M= Altura de Ha 4/10 Berma y Primera Jana Secundaria 130 10 ?9 Wa Peso elementos ndwcus es W/200 Segunda Capa Secirdana 150 lo $ es Espesor promedio de las c9pas W74000 huclco y Plantilla 170 to JO Ancho de Corona Coatora / Z A A a MANO Ti NM URÍA Mn sa LA) — o 4 E inn 2EDIMEMTACIÓN DE SECCION TRICARA o Figura 111.3 Enrocamiento a Talud para Condición de Ola Rompiente 83 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO ------ ~M~~_' __ -O, ¡10 t fHli c.~. . .a Pn,...~'1,I cIor :~ •• !. h"'.Ii~ -.,d" ::;"~"'l ~~', . ,l,llu •• ¡fe 01. f'2 , ""'"$ C.~SK .. __ .". ' UI n 'l~ '0 ,. )0 0 11:1 uo 10 )O 10 r lO • ~u ... 1~m."Ia< '''d-V,'!u, n , E'~.or r _cO() ~.l.o. O l1 /tl) ~ .,..110) rhMU e.:.. $ at' Irc (111.3) Donde: Ir = Numero de Iribarren calculado a partir de la altura significante y del periodo medio. Hs = Altura significante. (m) N = Número de olas del estado de mar Ns = Número de estabilidad a = Ángulo de inclinación del talud Ire = Número de Iribarren critico, para el cual se tienen un minimo de estabilidad de las piezas del manto. Ellrc se calcula con la fórmula: (111.4) Donde: D : Diámetro nominal de las piezas. ó. : D. = (y s - Yw) I Yw 85 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Para aguas poco profundas, Van der Meer indica que la altura significante no es un buen parámetro y propone utilizar como altura de ola de referencia el valor asociado a una probabilidad de excedencia del 2%, H2%, de esta forma, Van der Meer modificó sus ecuaciones, quedando de la siguiente forma: Ecuaciones de Van der Meer para aguas poco profundas \1 _ H2% _ 8 7PO.I8(~)0., 1 -0.5. J\ ,- tú) - . JN r , para Ir < Irc H", _ ; S ( ) 0.' Ns = W = I.4P 0.1. JN .Jcotalr"; para Ir > lrc (111.5) (111.6) La H2% se debe calcular tomando en cuenta el cambio que sufre el oleaje al estar en aguas reducidas, especialmente cuando la ola rompe en consecuencia de las características de la batimetría. Con la ecuación del diámetro nominal: (111.7) Finalmente se obtiene el peso de las piezas de la coraza con la siguiente ecuación: w =rD3 (111.8) 86 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.3. Alternativas de Coraza. 1/1.3. 1 Enrocamiento Cuando en la cercanía de la obra es posible la explotación de bancos de roca que posean características de peso y tamaño requeridas por el proyecto (refiérase a la sección 11.4), la mejor opción es construir con enrocamiento, ya que esto implica costos más bajos en comparación con elementos prefabricados. es decir, aprovechar siempre el material existente, como se hace en cualquier otro tipo de trabajo. Las obras marítimas de enrocamiento están construidas principalmente por elementos de roca de diferentes tamaños. Para la programación de la construcción de un rompeolas de enrocamiento, se deben abarcar cuando menos los siguientes conceptos. a) Explotación del banco de materiales. b) Transporte al lugar de la obra. c) Colocación en la obra de protección. La programación de la explotación del banco debe ser acorde con la colocación y avance de la obra, sin embargo, se procurará obtener los elementos de la coraza en primera instancia y aprovechar los desperdicios y materiales residuales para las capas interiores (secundaria y núcleo) economizando así en la construcción de la obra. 111.3.2. Elementos Prefabricados. Los elementos prefabricados de concreto. como componentes para la conformación de la coraza, constituyen una alternativa de selección adecuada si en las cercanías de la obra en construcción no se encuentra roca que cumpla con las especificaciones de tamaño y densidad requeridas. Generalmente se fabrican próximos a la obra; son de concreto simple. 87 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Los principales elementos utilizados en las obras de protección marítima son los descritos en los párrafos siguientes. de los cuales también se trata de dar una explicación general de su funcionamiento, forma y recomendaciones de uso. 111.3.2.1 Cubos Los cubos fueron los primeros elementos prefabricados que se usaron en obras de protección marítima. su forma geométrica puede ser muy simple. un cubo con dimensiones iguales o un elemento de volumen cuadricular. un poco más ancho en su base, con ranuras cuyo principal objetivo es permitir su transporte y colocación en el sitio de la obra. Estos elementos no desarrollan una trabazón entre sí, y generalmente se colocan en más de una capa. para ayudar a la estabilidad de la obra Para su diseño se toma en cuenta principalmente su peso. que es la principal fuerza que actúa en oposición de las fuerzas que provocan el oleaje y las corrientes. El tamaño de estos elementos puede variar dependiendo de los alcances del proyecto, de la altura de ola de diseño, de la magnitud de las corrientes y es muy importante tomar en cuenta el tipo de lecho marino en que se van a apoyar, para evitar posibles hundimientos de la obra debido al gran peso de los elementos. No se recomienda su uso en suelos blandos. ni donde el oleaje sea muy alto. Figura. 111.4. Cubo 88 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.3.2.2 Dolos El dolo es un elemento formado por una doble ancla de arco doble T, con alas y el alma ortogonales. Una vez colocado, el comportamiento resistente del dolo depende fundamentalmente de la gran capacidad de anclaje con las piezas adyacentes que le proporciona su geometría, por lo cual el peso del elemento deja de ser la caracteristica fundamental para efectos de estabilidad. El manejo en la colocación de este elemento debe ser con maniobras especificas y cuidados especiales, ya que suelen presentarse fracturas graves que demeritan su función. Por lo mismo, se fabrican dolos de tamaños medios, ya que su manejo tiende a complicarse en la misma proporción en que aumentan las dimensiones. Su uso es muy frecuente hoy en día, aunque aún se encuentra en discusión debido a que sus resultados prácticos obtenidos han sido variados. Figura. 111.5. Dolo 111.3.2.3 Tetrápodos Estos elementos están formados por un núcleo esférico, al que son tangentes exteriormente cuatro conos de tronco simétricamente dispuestos. 89 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Tienen un alto grado de anclaje entre elementos sin embargo, aunque la trabazón que desarrollan es muy eficiente, sus extremidades se rompen con facilidad por efectos de flexión y consecuente tensión, Hay que recordar que el concreto no trabaja a tensión y estos como otros elementos prefabricados no llevan armado de refuerzo, En los ensayos de resistencia se ha comprobado que las roturas por caida son independientes del tamaño de los tetrapodos, Sobre terreno duro, esta tiene lugar desde 4 pies de altura, Sin embargo, con un colchón de agua, de 1/6 y 1/5 la altura del tetra podo, ya no se rompe, El indice de vacios normalmente conseguido es del 50% Se recomienda para su manejo, esperar hasta después de un curado de 48 a 72 horas y que el transporte desde el centro de fabricación al parque de almacenamiento se haga mediante un artificio que evite las tensiones, Sin embargo, para su colocación en obra basta con una eslinga y un cable auxiliar. Su uso se recomienda en zonas de mediana calma, es decir, con oleajes no muy altos, ya que el problema de estos elementos es que pueden sufrir fracturas a menudo con la incidencia del oleaje y corrientes, Figura, 111.6, Tetrapodo, 90 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 1/1.3.2.4 Acrópodos / Gore-locR Los acrópodos y Core-locR pertenecen a una nueva generación de elementos cuyo funcionamiento está sustentado en la amplia experiencia de centros de investigación en Ingeniería costera reconocidos y que trabajaron en su invención. Ambos tienen una simetría muy parecida, incluso, llegan a desarrollar un anclaje entre piezas idéntico, por lo cual para este trabajo se manejan como similares. El acrópodo tiene seis protuberancias extendidas en conjunción con el núcleo. Esta forma, elimina la necesidad de refuerzos, ya que el anclaje entre las piezas es suficiente para utilizar una sola capa de elementos. Su forma proporciona una alta resistencia mecánica, su estabilidad colocados en una capa ha sido estudiada y comprobada por diversos laboratorios. El uso de estas piezas reduce hasta en un 50% la cantidad de material, ya que solo se coloca una capa de elementos; puede ser utilizado en cualquier tipo de obra de protección, y ante cualquier situación de oleaje y corrientes, ya que proporciona gran estabilidad. Sin embargo, para lograr la estabilidad y efecto de trabazón que les dan la ventaja sobre otros elementos, es muy importante que la colocación respete criterios preestablecidos de densificación por unidad de área de superficie a cubrir. En comparación con el dolo y el tetrápodo, el acrópodo o Core-locR , no se fracturan demasiado y desarrollan un anclaje similar: y en cuanto al cubo, tiene la ventaja de reducir los costos al utilizar menos material, aunque se debe tomar en cuenta que el proceso constructivo tiende a ser más complicado. 91 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Figura. 111. 7. Acrópodo. 111.3.2.5 Bolsacreto Los bolsacretos son elementos masivos de concreto simple colados en sitio, mediante la utilización de cimbras textiles impermeables. La dimensión básica del elemento es de 2.0 x 3.0 x 0.5 m. Sin embargo, se pueden fabricar las dimensiones convenientes, manteniendo constante el peralte de 0.5 metros. Estos elementos no tienen anclaje, lo que provoca que su estabilidad sea proporcionada únicamente por el peso del concreto que lo constituye. El procedimiento constructivo se realiza de tal manera que sobre el trazo indicado en el plano del proyecto, se coloca la primera fila de elementos Bolsacreto. Como primer paso, mediante personal de buceo, la cimbra textil vacía es hundida y ya en su sitio, auxiliando su fijación mediante las bandas textiles que posee en cada esquina. le es inyectada por bombeo la mezcla fraguable cemento - arena. La cimbra textil impermeable para colado en sitio de piezas masivas de concreto simple posee elementos valvulares de llenado con cierre manual y bandas de fijación y sujeción de alta tenacidad. Una vez fraguados los elementos de la primera cama, se coloca en la segunda cama siguiendo el procedimiento anteriormente descrito. Esta opción es factible de ser utilizada solo si el oleaje no es muy alto y existe baja incidencia de corrientes, debido a que su efecto de trabazón es muy pobre. Su uso es 92 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO restringido a zonas donde el oleaje y corrientes sean bastante bajas, ya que se han dado casos en que los sacos son arrastrados por la corriente. Aunque resulta más económico en comparación con elementos prefabricados. Cabe señalar que este elemento es muy utilizado en los países tercermundistas como el nuestro, esto debido precisamente a que se considera una alternativa muy económica en comparación con cualquier otra y es una opción viable dadas las circunstancias de escasez de recursos y la necesidad de implementar obras de protección marítima en periodos cortos de construcción. Figura. 111.8 Bolsacreto 111.3.2.6 Otras Formas Irregulares Existen otras formas de elementos prefabricados enfocadas casi siempre a desarrollar trabazón e impedir que las fuerzas de oleaje o corrientes las muevan de su sitio. Algunos ejemplos son ilustrados en la Figura '".9. 93 Grobbelaar H Shaped Block Svee Cubo (Modificado) Sta bit EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Pelican Slool Telrahedron Tripod Hollow Tetrahedrom ,~..,..r\ ..~ \ / :'- \ ;' ,/ 'j-¿ ':-..r-'V Akmon. Figura. 111.9. Otras Formas Irregulares 94 Gassho Tri-pod Interlocking H Block ,,\ '\ ?c~ ) Tribar Puadripod • • • • • • I '. , EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 111.3.3. Análisis Comparativo de Costos de Construcción. En la Tabla 111.2 se presenta un resumen de lo expuesto en los párrafos anteriores para cada alternativa de estructuración, de manera que se pueda hacer un análisis compar¡;¡tivo entre alternativas. Tabla 111.2 Comparación Cuantitativa de Algunas Características en los Elementos Prefabricados Cubo eore·locR Caracteristicas Acrópodo Tetrápodo Dolo ranurado Número de 1 2 2 2 1 capas Talud Minimo 1.3 : 1 1 : 1.5 1 : 1 1 : 1.5 1.3 : 1 Porosidad 52 50 56 45 60 ko (Oleaje 12 7* 51.6*/2 9* 13 rompiente) % Daño O 5 5 5 O Concreto por m2 0.2Hs 0.35Hs 0.25Hs 0.38Hs 0.18Hs de pendiente Cantidad relativa de concreto 1.0 1.9 1.5 2.0 0.9 armado • Shore Protectlon Manual - CERC, 1984 De acuerdo a las características mostradas en la Tabla 111.2, puede observarse que tanto el acrópodo como el Core-Ioc solo necesitan una capa de elementos, lo cual puede reducir el costo de la obra de protección; en cuanto a la pendiente de la coraza, el dolo acepta inclinaciones hasta de 45° , mientras que el acrópodo y el Core-locR soportan pendientes más inclinadas. El número de vacíos que se logra es menor en el cubo ranurado, debido principalmente a su forma, lo cual hace que se utilice un mayor número 95 I : I I I I , I I I ! , I ! I ¡ , EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO de elementos. El coeficiente de estabilidad de Hudson para oleaje rompiente (situación más desfavorable) toma un valor máximo para el dolo, seguidos el Gore-locR y el acrópodo. El porcentaje de daño para el cual se diseña el elemento, contempla para el Gore-locR y el acrópodo un daño nulo, mientras que el dolo, el tetrápodo y el cubo ranurado se diseña con un 5% de daño. En el cubo ranurado es necesario 0.38 veces la altura de ola significante de concreto por m2 de pendiente, cantidad que se reduce de manera significativa en el Gore-locR , que solo utiliza el 0.18 veces la altura de ola significante. En cuanto a la cantidad relativa de concreto armado, el cubo tiene el valor máximo en comparación con el core-Ioc que utiliza casi la mitad de ese valor. Es importante señalar que estas características pueden variar en menor o mayor medida, tomando en cuenta las condiciones de diseño contempladas y las diferentes condiciones físicas que se presenten en el sitio donde se construyan las obras de protección marítima. 111.4 Modelación en Laboratorio para Optimización del Diseño. Esta sección se refiere a la conveniencia de aplicar modelos físicos desarrollados en instalaciones experimentales de laboratorio como herramienta de optimización del diseño de obras de protección. Los objetivos más comunes de aplicar los modelos físicos en la ingenieria marítima son los de simular: 1. Acción del oleaje en el puerto 2. Extracción de agua entre el puerto y las áreas de agua de los alrededores 3. Problemas de sedimentación 4. Movimientos de embarcaciones en los puertos 5. Estabilidad de las estructuras bajo la acción del oleaje De hecho, un modelo físico es un intento de reducir la naturaleza a un tamaño más pequeño, permitiendo observar y controlar los factores que influyen en el comportamiento del sistema. Gomo primer punto es necesario establecer los objetivos al emplear un modelo. Después se realiza un estudio en donde se determinan los factores físicos que influyen en 96 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO el fenómeno a estudiar, incluyendo los que sirvan para describir las características fisiográficas del lugar en estudio, por ejemplo batimetria y tipo de material de fondo. Es muy importante que el modelador conozca el lugar, para entender mejor qué factores pueden influir en los resultados, para tener la capacidad de realizar adaptaciones al modelo en caso de ser necesario y definir los fenómenos de la naturaleza que más influyen en el comportamiento global del sistema, garantizando asi que el modelo produzca resultados confiables. La información necesaria para el diseño de modelos físicos, generalmente se presenta en dos grupos: a) Relativo a las condiciones de mar y topohidrográficos • Regímenes estadísticos y espectrales del oleaje en la zona a estudiar, que muestren la distribución de alturas y periodos para diferentes direcciones y estaciones. Normalmente los valores de alturas y periodos significantes se emplean para realizar los ensayos. • Información sobre la existencia de ondas de largo periodo, en cuanto a su altura, periodo y frecuencia. • Información de las mareas, tipo, alturas y niveles alcanzados. • Levantamientos topográficos de la zona terrestre que muestren a diferentes escalas el relieve de la costa. • Levantamientos hidrográficos (batimetrías) a diferentes escalas, que describan en lo general y en detalle las profundidades del fondo marino. Se emplean en la construcción de diagramas de refracción y para colocar los generadores de ola de acuerdo a las direcciones seleccionadas de oleaje. b) Arreglo del puerto y condiciones admisibles de operación de las embarcaciones a las que se les dará servicio. • Planos detallados del arreglo en planta de las obras exteriores: playas, zonas de atraque, de maniobras, canales de navegación y todos aquellos que sean necesarios reproducir, incluyendo los dragados a ejecutar. • Etapa de construcción, indicando los arreglos respectivos de las obras. 97 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO • Alturas de olas máximas admisibles en función de su periodO y del tipo de embarcaciones servidas en el puerto. • Periodos de resonancia de las embarcaciones grandes que usarán el puerto en función del tipo de amarre por emplear. 111.4. 1 Similitud Dinámica en Modelos de Obras de Protección. La idea básica para relacionar el comportamiento hidráulico del prototipo con el del modelo es la de semejanza que puede ser geométrica, cinemática ylo dinámica. También se puede hablar de semejanza térmica y de semejanza en ciertas propiedades quimicas. En el caso de las obras de protección, la similitud que más interesa es la similitud dinámica, entre el modelo y el prototipo. Esta semejanza requiere a) que se tenga similitud geométrica exacta entre ambos sistemas, y b) que la relación entre presiones y fuerzas dinámicas en puntos correspondientes sea una constante, lo que se puede expresar también como una similitud cinemática, ya que las líneas de corriente deben ser geométricamente semejantes. Existe semejanza geométrica entre el modelo y el prototipo si el cociente de longitudes correspondientes es el mismo; asi, la relación de tirantes, anchos, y distancias, correspondientes debe ser constante. La Figura 111.10 ilustra claramente este concepto. 1 /' ~ ~ 1 /~, , H h / , / . . / / ( ) ( ) B b PROTOTIPO MODELO B/b = H/h = = Le (Escala de longitudes) Figura. 111.10 Semejanza Geométrica Hay semejanza cinemática (Figura 111.11) si las componentes de la velocidad, de todos los puntos correspondientes, son semejantes geométricamente. 98 . > s lt >. o —> £ Vxm _— PROTOTIPO MODELO Vxp/Vxm = Vyp/Vym = ... = Ve (Escala de velocidades) Figura. 11111 — Semejanza cinemática Hay semejanza dinámica, como lo muestra la Figura 111.12, si los polígonos de fuerza, de todos los puntos correspondientes son semejantes geométricamente. -= | Fim —= e o 7 > y Y oFup > a A y NS ls L Ds, —T—> Fpp =P» Fpm PROTOTIPO MODELO Fip/Fim = Fwp/Fwm = Fpp/Fpm = Fp/Fm = ...= Fe (Escala de Fuerzas) Figura lt. 12 Semejanza dinámica En ta Figura 111.13 se muestran los factores que intervienen en la estabilidad de un rompeolas de enrocamiento correspondientes a una sección de un rompeolas, casi perfecto, situado a una profundidad d>1.3H (condición sin rompiente) y sin rebase de ola. 99 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISE/ÍlO Vyp~A-A- /' . ~, Vxp / -"-/ _______ "_~~, vymt~-~' x TOTIPO DELO xpN ypN . e scala e l i des) i ura. . 1 ejanza i ática ay ejanza i ica, o l uestra l i ra 111. , i l lí os e f rza, e t os l s ntos r ondientes n ejantes étri a ente. Fip ~" ... Fwp p TOTIPO DELO i / i p/ / / ... e cala e erzas) i ra 111. ejanza i ica En la Figura 111. 13 se uestran l s f t r s e int i n t bili d e ro peolas de enrocamiento rr ondientes a cción e peolas, si perfecto, situado a una profundi ad 1. H ( dici n i piente) i se e l . EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO NM a s , (, '::> .• p~ , ;.l, Figura 111.13. Factores que Intervienen en la Estabilidad de una Obra de Protección de Enrocamiento Una obra de protección maritima sujeta a la acción del oleaje de corto periodo. genera fuerzas que levantan y hacen rodar los elementos de la coraza y que contrarrestan el peso de las rocas y la fuerza de fricción que se genera entre ellas. Las principales fuerzas de estudio (Vergara, 1993) son las producidas por el oleaje: de inercia y de arrastre, que combinadas dan la siguiente expresión: 111.9 Donde: v = Velocidad del agua que fluye alrededor de los elementos de la coraza. las cuales las contrarresta el peso de las rocas y la fuerza de fricción que se genera entre ellas. 100 EVALUACiÓN DE AL TERNATIVAS DE DISEÑO e = Una característica lineal de los elementos, de modo que el área de éstos proyectada perpendicularmente a la velocidad sea ka l.;. y el volumen k,. (:.: siendo ka Y k,. coeficientes de área y volumen, respectivamente. Ya = Peso especifico del agua g = aceleración debida a la gravedad. C, = Coeficiente que es función de los de arrastre. Co y la masa virtual Cm. (ambos en función de la forma y del número de Reynolds), también de ka. k" asi como de la aceleración del flujo entre los elementos (dv/dt) Tomando en cuenta la velocidad del flujo ,'. igual a la velocidad de la partícula en la cresta de una ola en el momento de romper, y considerando también que es igual a la celeridad C de la propia ola, se tendrá: 1111.10 siendo d. la profundidad en la cual rompe la ola de altura H. = k",,, Y k es un coeficiente función de la relación de esbeltez (H/L). Sustituyendo el valor de d. en la ecuación 111.10, y ésta en la 111.9 se obtiene: F 111.11 Por otra parte, el peso sumergido individual de los elementos es 111.12 Donde Ye es el peso especifico de los elementos. El valor de p' , resultaría igual a la fuerza de fricción y, por tanto, W.3( - )_C;¡3 H /k -e Ye y" - ,<,y" b 111.13 101 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Si en esta ecuación se sustituye la relación f .. 'y"por Sr y el valor f,.despejado de la ecuación correspondiente al peso Ir individual de los elementos fuera del agua fV = ak,. e!ye ) resulta: 111.14 donde: Considerando ahora que la fuerza F y las producidas por una ola no rompiente sean iguales en la primera aproximación (corrigiéndose esto con un coeficiente que sea función de la profundidad relativa d/L). permite generalizar la ecuación 111.14 para oleaje rompiente o no. También incluye el efecto de la fuerza de fricción, con base en parámetros tales como: ángulo del talud, forma, colocación y trabazón de los elementos. Al incluir el efecto del ascenso de la ola, los espesores. la permeabilidad y el ángulo de la pendiente de la playa, se tendrá la ecuación siguiente: W(Sr-I)3 ---:,'--- = ya/(C D' Cm' k", k,., dv/ dr, H / L. d L. H i d, a. e.r. k,. z. e. tp) 111.16 SrH J o simplemente: W(Sr-1)3 _ / SrH' - Ya 111.17 Designando a la función (11 f)1 'como el número de estabilidad Ns , obtenido experimentalmente e igual a (k" COI a)l. ) , donde k" es el conocido coeficiente de Hudson 102 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO y utiliza todos los parámetros mencionados; finalmente la ecuación 111.17 se transforma en: w 111.18 Esta ecuación debe aplicarse tanto en el modelo como en el prototipo. Es importante mencionar como conclusión del anterior análisis que las fuerzas predominantes son de tipo gravitatorio y de inercia, por lo que la condición de similitud dinámica a emplear es la de Fraude, y para la geometria del oleaje, la teoria de Airy. /11.4.2 Necesidad de Modelación en 20 Los modelos bidimensionales se aplican principalmente en canales de ola, donde la dirección del oleaje incidente es perpendicular a un tramo de la estructura El ascenso y descenso continuo de las olas sobre el talud del rompeolas, crea un flujo en el interior de éste que se concentra en el nivel más bajo de la ola que desciende. Esto da origen a una fuerza normal que trata de mover de su lugar a los elementos que constituyen la estructura. Asimismo, las fuerzas de arrastre y de flotación favorecen a la falla por volcamiento. Por otra parte, cuando una ola rompe sobre la estructura, además de las fuerzas anteriores, se presenta la fuerza de impacto, que contribuye a un desacomodo de los elementos con el riesgo de que sean arrastrados hacia abajo. Vergara, (1993) recomienda utilizar escalas lineales de 1 :20 a 1: 60 con modelos sin distorsión de fondo fijo para este tipo de modelos. 103 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO , " '. ' .. ¡i A. Figura 1111,14. Modelo de una Obra de Protección para un Estudio Bidimensional 111.4.3 Necesidad de Modelación en 30 Los modelos tridimensionales se utilizan en una obra de protección principalmente en tanques de ola o de morros, donde el oleaje llega en forma oblicua en una parte importante del rompeolas, que ocasiona cambios de orientación de éste. En los modelos tradicionales en 3D, comúnmente se utilizan escalas lineales de 1:40 a 1 :80. Sin embargo, Vergara, (1993) recomienda utilizar la escala de 1 :30. También hace la observación que es recomendable utilizar oleaje irregular. En la figura 111.15 se muestra un ejemplo de un modelo en 3D. 104 Figura 1111.15. Modelo de una Obra de Protección para un Estudio Tridimensional 111 4.4. Análisis de Resultados. Desde el punto de vista económico, el modelo debe ser tan pequeño como sea posible, pero cuidando que los resultados sean válidos. No existen reglas que definan el tamaño de un modelo hidráulico, aunque este es un factor determinante en la planeación del modelo. El modelo no necesariamente tiene que ser igual al prototipo, pero sí tiene que cumplir con su cometido. Las escalas distorsionadas son empleadas cuando es necesario apartarse de la similitud geométrica para servir objetivos definidos y limitados. Cuando se realizan estudios que implican la modelación de una determinada obra de protección, es necesario comprobar que todos los coeficientes concuerden y que se estén aplicando las fuerzas de viento y/u oleaje, y en general todos los fenómenos que afecten en determinado momento a la estructura, en una escala que permita un comportamiento óptimo del modelo con el prototipo. 105 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO t~::: .... # ... . :-- .... ~ .-- i ra 1.15. odelo a bra r t cci n ra st dio r nsional 1.4.4. nálisis esultados. esde l nto i t nómico, l odelo be r ueño o a sible, ro i do e l os n li s. o i t n l s e fi n l a año odelo i r ulico, que ste s t r t r inante l ación el odelo. l odelo sari ente ie e e r al l r toti o, ro i ie e plir n etido. s calas i o as n pleadas ndo s cesario art rse i ili ométrica ra rvir j ti s fi i s imi os. uando li n t dios e pli n odelación a t i ada ra r t cción, s cesario probar e s efi i t s cuerden e t n l o r s i to / l aje, neral s e enos e f ct n t i ado omento l tr ctura, a cala e r ita portamiento ti o el odelo n l r toti o. EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Los resultados que generalmente se analizan son los referentes a las respuestas de la estructura ante el oleaje y las corrientes, efectos de socavación, nivel de daño que se presenta en distintas condiciones de diseño, efectos por variación en ángulos de incidencia de oleaje, variación de alturas de ola, etc. La modelación de la estructura es una manera de ver en pequeño lo que ocurriría con la obra de protección ya construida. Por lo cual el análisis de resultados será determinante para decidir sobre los cambios en el diseño si el modelo no presenta un comportamiento adecuado a las necesidades que se requieren; o bien en caso contrario, cuando el modelado demuestra un comportamiento óptimo, para llevar el proyecto a su construcción. 111.5 Análisis de la Longitud Óptima La longitud de las obras de protección marítima tienen un papel muy importante en el diseño de un puerto. Tomando en cuenta que la disposición en planta de las obras se hace buscando obtener que las condiciones de agitación del puerto se mantengan por debajo de ciertos limites permisibles, se estima que el procedimiento más adecuado a seguir puede sintetizarse como sigue: Para el régimen de oleaje del lugar y para cada disposición de las obras de protección existirán dentro del puerto y en el canal de acceso valores específicos de la agitación A" A2 , ... Ao. (Figura 111.16) de acuerdo a estos valores, se pOdrán hacer los arreglos en planta de las obras, haciendo los análisis en cuanto a costos de construcción y de dragado dependiendo de la longitud requerida. En las subsecciones 111.5.1 y 111.5.2 se hace un análisis de estos estudios. 106 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO 1 Figura 111.16. Esquema de Valores Específicos de Agitación en un Puerto 1/1.5.1. Costo de Construcción VS. Longitud de Obra. Si los valores de agitación se conservan debajo de los límites permisibles, el costo de la alternativa será exclusivamente el de la inversión. Es evidente que el grado de protección y el costo de inversión crecen en el mismo sentido. Si por el contrario, y reduciendo la longitud de las obras de protección, ciertas zonas del puerto presentan valores de la agitación superiores al permisible, esto indicará que durante un cierto porcentaje del tiempo que estará ligado a la frecuencia del oleaje que ocasiona tal agitación, esas zonas del puerto no operarán. Ello se traducirá en tiempo de espera del barco y en consecuencia en un costo de inoperatividad. Es evidente que a menor longitud de obras de protección y en consecuencia menor costo de inversión. el costo de inoperatividad tenderá a crecer. Tomando en cuenta estos dos componentes de costo, el de inversión, expresado en anualidades, y el de inoperatividad anual, podrán establecerse juegos de alternativas de longitud en la que la longitud óptima será aquella que minimice los costos (Figura 111.17). 107 EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO CO$7üS ANUALES K / Co;:o ce ino;;ercti'''CCG / .--Ce!:.!:. lc:a! . ! ¡ Combinación de Inversión e Inoperatividad ~ _~-c:_"'_~. _-1:::"'''''''-- Veier mínir.;,:: ce ·::s:cs tc':-:!;:s I I -I-----------~=~---------~:.:.O"¡GI7L:D CE ':=.~.:.S Lcngitud o'íJtir,¡c Figura 111.17 Diseño 6ptimo de Obras de Protecci6n Maritlma 111.5.2. Costo de Construcción vs. Costo de Dragado de Mantenimiento. En forma análoga a lo expuesto en el análisis anterior, se puede analizar la situación en que por el tipo de puerto, las obras exteriores cumplan también con la función de proteger al canal de acceso del transporte litoral. de manera que si estas obras son cortas y no lo protegen en su totalidad se tendrá un cierto costo de dragado de mantenimiento que disminuirá en la medida que aumente la longitud de las obras. Para esta situación puede involucrarse como factor de costo el de dragado de mantenimiento. En este caso la solución óptima corresponde también al valor minimo de los costos anuales combinados de inversión y dragado de mantenimiento (Figura" 1.14). 108 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO IV. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO. En este capítulo se describe la aplicación de los procedimientos anteriormente estudiados para la evaluación y comparación de alternativas de coraza, utilizando para ello el ejemplo del Puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos Bocas, en Tabasco. Este trabajo, a petición de PEMEX, se desarrolló por Preinversión y Desarrollo S.A. de C.v. ,quién, con la colaboración de La Consultoría Yañez - Taylor , como empresa especializada en hidráulica Marítima, se encargaron del diseño de detalle. revisión, modificación y disposición del puerto, rompeolas y trabajos de dragado. Cabe mencionar que se cuenta con la debida aprobación de los participantes en este proyecto para presentarlo como trabajo de tesis, una vez que la tesista, como parte del equipo de trabajo, participó activamente en el desarrollo del proyecto. IV.1 Descripcíón General del Puerto Petrolero, Industríal y Comercial de Dos Bocas El puerto de Dos Bocas se localiza en la costa del Golfo de México, en el estado de Tabasco, 18° 26' latitud Norte y 93° 10' longitud Este. a varios kilómetros al este de la península de Yucatán. En este sitio, el gobierno mexicano, a través de PEMEX, pretendía desarrollar un ambícíoso sistema portuario que mejoraría el manejo de las operaciones de exportación del petróleo. Este proyecto fue planeado en los años 70's, el diseño involucraba la construcción de dos rompeolas: el este y oeste, con longitudes de 3.5 km. y 1.2 km., respectivamente. En el rompeolas este se había proyectado construir tres muelles de exportación en forma de "T" para buques tanque petroleros con capacidad de 250,000 TPM y 100,000 TPM Y profundidades variables desde 18 metros hasta 25 metros en las áreas para navegación de embarcaciones más grandes. Dentro del puerto había dos dársenas adicionales: una para la terminal de abastecimiento (9 metros de profundidad) y la otra para el desarrollo del puerto industrial y comercial (14 metros de profundidad). 110 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO En 1980 se inicia la construcción del puerto, sin embargo, a mediados de los 80's el precio del petróleo bajó y los trabajos se detuvieron. Los rompeolas fueron parcialmente completados (aproximadamente un 30%). Solamente se finalizó la terminal de abastecimiento, cuya función se redujo a almacenar, enviar y facilitar refacciones y materias primas desde el puerto hasta el punto donde se colocaron dos boyas para la exportación del crudo. Durante algunos años, PEMEX ha implementado estudios económicos y de mercado, los cuales indican que la exportación de petróleo se ve perjudicada por las condiciones existentes. Basado en éstas suposiciones, PEMEX está ahora interesado en completar los rompeolas. Esto incluye una reevaluación del diseño original. Entre las alternativas de diseño evaluadas, se contempló el colocar otra boya mar adentro, o terminar los rompeolas. En estudios preliminares resultó que la segunda opción era económicamente viable y mejor alternativa a largo plazo. Para esto, debido a que el diseño original fue llevado a cabo hace aproximadamente 20 años, y tomando en cuenta que en ese lapso de tiempo, la hidráulica marítima ha evolucionado notablemente, se pretende hacer un diseño con proceso actuales de optimización y así, definir la mejor alternativa de construcción de los rompeolas. IV. 1.1 Diseño Original y Construcción Incompleta. Como se había mencionado en el apartado anterior, el desarrollo de los trabajos constructivos del puerto de Dos Bocas fue interrumpido en la década de los ochentas, alcanzando para los rompeolas un estado parcial de construcción al desarrollar únicamente 1,860 m y 800 m respectivamente para las obras de protección oriente y poniente. La Figura IV.1 muestra el arreglo general original del puerto. III EVALUACiÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO COSTOS ANU~LES r Costo total /"----Cosfo de inversio'n /r--i--Cos:o de drogado de obras -l-":::::..---------,-:-'---;-.::::=-~------- __ LONGITUD DE OERAS Longitud óptima Figura 111.18 Diseño Óptimo de Acuerdo al Costo de Dragado 109 EJEMPLO DE APLICACiÓN Al PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO IV. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO. En este capítulo se describe la aplicación de los procedimientos anteriormente estudiados para la evaluación y comparación de alternativas de coraza, utilizando para ello el ejemplo del Puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos Bocas, en Tabasco. Este trabajo, a petición de PEMEX, se desarrolló por Preinversión y Desarrollo S.A. de C.v. , quién con la colaboración de Consultoria Yañez - Taylor, como empresa especializada en hidráulica marítima, se encargaron del diseño de detalle, revisión, modificación y disposición del puerto, rompeolas y trabajos de dragado. Cabe mencionar que se cuenta con la debida aprobación de los participantes en este proyecto para presentarlo como trabajo de tesis, una vez que la tesista, como parte del equípo de trabajo, participó activamente en el desarrollo del proyecto. IV.1 Descrípción General del Puerto Petrolero, Industrial y Comercial de Dos Bocas El puerto de Dos Bocas se localiza en la costa del Golfo de México, en el estado de Tabasco, 18° 26' latitud Norte y 93° 10' longitud Este, a varios kilómetros al este de la península de Yucatán. En este sitio, el gobierno mexicano, a través de PEMEX, pretendía desarrollar un ambiCioso sistema portuario que mejoraría el manejo de las operaciones de exportación del petróleo. Este proyecto fue planeado en los años 70's, el diseño involucraba la construcción de dos rompeolas: el este y oeste, con longitudes de 3.5 km. y 1.2 km., respectivamente. En el rompeolas este se había proyectado construir tres muelles de exportación en forma de "r' para buques tanque petroleros con capacidad de 250,000 TPM Y 100,000 TPM Y profundidades variables desde 18 metros hasta 25 metros en las áreas para navegación de embarcaciones más grandes. Dentro del puerto habia dos dársenas adicionales: una para la terminal de abastecimiento (9 metros de profundidad) y la otra para el desarrollo del puerto industrial y comercial (14 metros de profundidad). 110 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO En 1980 se inicia la construcción del puerto, sin embargo, a mediados de los 80's el precio del petróleo bajó y los trabajos se detuvieron. Los rompeolas fueron parcialmente completados (aproximadamente un 30%). Solamente se finalizó la terminal de abastecimiento, cuya función se redujo a almacenar, enviar y facilitar' refacciones y materias primas desde el puerto hasta el punto donde se colocaron dos boyas para la exportación del crudo. Durante algunos años, PEMEX ha implementado estudios económicos y de mercado, los cuales indican que la exportación de petróleo se ve perjudicada por las condiciones existentes. Basado en éstas suposiciones, PEMEX está ahora interesado en completar los rompeolas. Esto incluye una reevaluación del diseño original. Entre las alternativas de diseño evaluadas, se contempló el colocar otra boya mar adentro, o terminar los rompeolas. En estudios preliminares resultó que la segunda opción era económicamente viable y mejor alternativa a largo plazo. Para esto, debido a que el diseño original fue llevado a cabo hace aproximadamente 20 años, y tomando en cuenta que en ese lapso de tiempo, la hidráulica maritima ha evolucionado notablemente, se pretende hacer un diseño con proceso actuales de optimizaCión y así, definir la mejor alternativa de construcción de los rompeolas. IV. 1. 1 Diseño Original y Construcción Incompleta. Como se habia mencionado en el apartado anterior, el desarrollo de los trabajos constructivos del puerto de Dos Bocas fue interrumpido en la década de los ochentas, alcanzando para los rompeOlas un estado parcial de construcción al desarrollar únicamente 1,860 m y 800 m respectivamente para las obras de protección oriente y poniente. La Figura IV.1 muestra el arreglo general original del puerto. " , EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO _---- -16 --_ ... -- _____________ --------- -1~ CANAL DE ACCESO _------- -'4 _ .... ------- -------..,." ... ------.. - .... - _________ -13 -13---- ___ ~-----'------- _________ 12 .... _,,---........ - ______________ .1' ROMPEOLAS ESTE - 9 -------------- ~"',.,.....--- ____ -8 ROMPEOLAS OESTE AREA DE ATRAQUE Y AMARRE ROMPEO· LAS DE SERVICIO AREA DE SERVICIO Figura IV,1 Arreglo General del Puerto en el Proyecto Original En el proyecto original diseñado por PEMEX y el Laboratorio Holandés de Delft Hydraulics (1978), consideró como características del evento de diseño una altura de ola y periodo de 8,5 m y 13,5 S respectivamente, valores correspondientes a un periodo de retorno de 500 años, La sección de los rompeolas oriente y poniente se conformaban de la manera siguiente: El núcleo de enrocamiento cuyo material tiene un peso especifico de 2,56 ton/m' , La capa secundaria está conformada por material de 2,56 ton/m3 de peso especifico, EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO La coraza constituida por cubos ranurados de concreto, cuyo peso variaba de las 7 a las 65 toneladas de peso por elemento. La corona d.e ambos rompeolas, que alcanzaba la elevación de 4.20 m sobre el nbm, originalmente consideraba la construcción de una pantalla deflectora de oleaje a base de concreto reforzado, elemento que nunca fue construido, sin embargo se sustituyó mediante acomodos especificos de los cubos de la coraza. En la Figura IV.2 se muestra el corte de una sección típica del rompeolas Oeste . . "" LAOOMAR ;22 • , , .. '-~,<.J de" '1 °1, J.,,,"'!:,, LADO PUERTO " . , :0 t _ '.:G Figura IV.2 CDrte del Rompeolas Oeste en el Diseño Original. IV.1.2. Necesidad de Terminación-Actualización del Proyecto Original. Cuando las instalaciones portuarias que requieren protección son de importancia nacional en virtud de su participación en la actividad económica del país es de gran prioridad el encontrar una opción óptima de construcción, beneficios inherentes, condiciones de seguridad y continuidad operativa. En esta situación se encuentra nuestro caso de estudio, ya que la necesidad de realizar la terminación del proyecto obedeció principalmente a que dentro de los planes de desarrollo del Puerto Petrolero de Dos Bocas, se encontraba determinar el arreglo que brindara las condiciones de protección existentes, así como definir la mejor alternativa de disposición y terminación de sus obras de defensa y en general todas sus instalaciones marítimo terrestres, todo esto para impulsar la actividad portuaria en esta zona. Esto requirió analizar los factores físicos existentes en la zona y comprender su comportamiento, determinar su influencia en las condiciones de seguridad y operación del puerto, con el objetivo de definir un arreglo óptimo para la terminación de los rompeolas, EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO considerando que resultaba necesaria la construcción de tres muelles para exportación del hidrocarburo y sus requerimientos de seguridad y continuidad operativa, El arreglo general del desarrollo portuario, incluyó, después de varios esfuerzos de planeación, los siguientes elementos de infraestructura básica: • Canal de navegación concebido en dos etapas de construcción, con profundidades de 17 m y 23 m para cada etapa de desarrollo, respectivamente, Asi mismo en la primera etapa el canal de acceso tenía una longitud de aproximadamente 1281 m y en la segunda etapa de 3478 m, que solo se lograba con un cambio de dirección y vurva de 45° para alcanzar las profundidades de diseño en la menor distancia, • Rompeolas oriente y poniente, con una longitud de 1,760 m y 660 m, respectivamente, a partir de la construcción incompleta, orientados de manera tal que permitan el abrigo del puerto, • Zona de muelles de exportación con tres posiciones de atraque adyacentes al rompeolas oriente para buques de 120000 TPM Y 250 000 TPM, • Zona de desarrollo comercial con una Terminal de Usos Múltiples (TUM) como plataforma inicial de desarrollo portuario con una posición de atraque para buques cargueros convencionales de 30 000 TPM, • Zona de la Secretaría de Marina en la parte poniente del Puerto de Abastecimiento, que es la única obra en operación, • Zonas de relleno para el asentamiento de industrias relacionadas con las actividades de extracción de petrÓleo y refinación, Todo esto está ilustrado en la siguiente Figura IV.3, que muestra tan solo el canal de navegación y desarrollo del puerto en una primera etapa de construcción, EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO ESPICON OESTE • I ZONAS DE RELL_ .. -----~~J TI::R .. -,..I.;". DE v~s ),/U'~7'."...!S ROMPEOLAS ORIENTE Q Figura IV.3. Esquema del Arreglo en Planta del Puerto IV.2. Estudios de Campo - Actualización de Información. Los estudios de campo obedecen principalmente a la necesidad de disponer de información actualizada. Para esto fue necesario realizar visitas de campo y estudios para el reconocimiento y caracterización detallados de la zona de trabajo. A continuación se presentan los estudios de campo realizados en Dos Bocas. IV.2.1 Estudios Topobatimétricos El levantamiento topobatimétrico de las zonas terrestres y de agua comprendió las siguientes actividades: Para el levantamiento topográfico, el trazo principal comprendió la definición de las poligonales de apoyo, estableciendo los limites de la zona de interés mediante la medición de direcciones con una o dos series y ocho punterias, con medición en ambos sentidos. La goniometría fue realizada con teodolito con aproximación de 1 segundo, mientras que la distanciometría fue realizada con distanciómetro electrónico de alta EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO precisión. El trazo secundario consistió en el levantamiento de las poligonales requeridas para ligar los puntos de inicio de las secciones. Para esta actividad se empleó cinta y alineamiento apoyado en teodolito de 20 segundos de aproximación. Con el fin de ligar el levantamiento batimétrico con el levantamiento topográfico, se realizaron un total de 26 secciones topobatimétricas a lo largo de la poligonal desarrollada por el frente marino. Estas secciones están separadas a una distancia de 100 m y su disposición coincide con la del secciona miento terrestre de la TUM. Estas secciones se desarrollan parte en tierra y parte en agua, de manera que proporcionan la información batimétrica existente en aguas poco profundas en las cuales los instrumentos empleados para el levantamiento batimétrico no son confiables. Para la determinación de las profundidades en estas zonas bajas fue empleada sondaleza metálica graduada al centimetro, o mediante lectura de nivel automático sobre estada les de charnela graduados al centimetro. mientras que las distancias fueron determinadas taquimétricamente El levantamiento batimétrico fue realizado con el sistema integrado de posicionamiento global por el método diferencial DGPS, con auxilio de ecosonda digital de frecuencia simple. Este sistema se conforma con dos estaciones de medición, una estación remota en uno de los vértices prif'cipales del levantamiento (vértice No. 18, ubicado en las cercanias del inicio del Rompeolas Poniente) y una estación móvil sobre la embarcación con alineamiento coincidente con el eje del transductor de la ecosonda instrumentos conf;gurados para registrar las señales satelitales en tiempos sincronizados. El levantamiento batimétrico conSistió en recorridos de seccionamiento con puntos individuales de medición espaciados a cada 10 r.1. Los recorridos fueron planeados de manera tal que sus direcciones hacia mar adentro correspondieron aproximadamente con la dirección de los seccionamientos topo batimétricos. Para contemplar las mediciones de profundidad las correcciones asociadas a la variación del nivel del mar por efecto de ia marea durante el levan!amient-:J, fueron tor~a.jas lecturas del nivel del mar en intervalos de 30 minutos en un punto previamente elegido, protegido de la acción del oleaje. Con base en este registro. en la etapa de procesamiento de cálculo fue posible determinar las profundidades reaies tomando en cuentéi el efecto de ia marea. 116 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO Los datos topográficos y batimétricos levantados y obtenidos en campo fueron sometidos posteriormente a una etapa de procesamiento, en la cual aplicando las metodologías usuales de cálculo topográfico con respaldo en software especializado, fueron calculadas las características que definen todo el levantamiento topobatimétrico. Para el procesamiento electrónico de la información batimétrica se empleó el método diferencial con apoyo en la estación fija localizada en el vértice No. 18. El plano de referencia para las profundídades mostradas en el levantamiento corresponde al nivel de bajamar media (nbm), con una diferencia de -0.286 m con respecto al nivel medio del mar, obtenida a partir de información de mareas para el puerto de Frontera, Tabasco, determinado por el Instituto de Geofísica de la UNAM. En la Figura IV.4 se muestran las curvas batimétricas obtenidas del levantamiento. '. Figura IV.4 Batimetría de la Zona en Estudio 11 i EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO IV,2,2 Estudios de Geotecnia Los estudios de geotecnia realizados abarcan estudios de mecánica de suelos, prospección geológica y geofísica de bancos de roca, pruebas de laboratorio, entre otros análisis, Para el área del Canal de Acceso a la Terminal de Usos Múltiples, los resultados de la investigación del subsuelo y de los ensayes de laboratorio permiten definir la siguiente secuencia estratigráfica, donde se distinguen dos formaciones principales: Formación 1, Suelos usualmente de compacidad baja a media o de consistencia media a firme, que alcanzan una profundidad de -22 m, De esta manera, aparecen primero arenas finas muy poco arcillosas (SP), color gris, con poca pedacería de concha, en estado suelto a medianamente compacto con algunas lentes muy compactas, y un espesor de 4,2 m, Después se detectan arcillas (CH) color gris verdoso, con vestigios de concha y de materia orgánica, con una consistencia media a firme, con un espesor de 5.4 m, A una profundidad de -17.2 m, reaparecen suelos areno arcillosos (SC) color gris verdoso o café amarillento, con pedacería de concha y vestigios de materia orgánica, en estado suelto medianamente compacto, con estrato final compacto, y un espesor de 4,8 m, Formación 2. Suelos arenosos compactos, los cuales aparecen a una profundidad de -22,0 m y que continúan hasta el final del sondeo, Como se refiere, esta formación está compuesta por arenas finas poco arcillosas (SC), color café amarillento o gris, en estado muy compacto, En la zona del Muelle Petrolero es detectó la siguiente estratigrafía: Formación 1 Suelos usualmente arenosos de compacidad baja o de consistencia muy blanda, que alcanzan una profundidad que oscila entre -13.5 y-14,1 m, 118 EJEMPLO DE APLICACIÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Formación 2. Suelos arenosos compactos, los cuales aparecen a una profundidad que oscila entre -8.2 y 14.2 m. Formación 3. Suelos generalmente de naturaleza arcillosa o limosa o su mezcla, de consistencia blanda a muy firme. con lentes de turba o de arena compacta, hasta una profundidad de oscila entre -22.4 y -24.3 m. Formación 4. Reaparecen suelos areno arcillosos compactos, o arcilla arenosa dura; estas capas son la transición vecina a los suelos de alta resistencia. Formación 5. Suelos arenosos muy compactos, los cuales aparecen una profundidad que oscila entre -24.4 y 26 m y que continúan hasta el final de los sondeos. De acuerdo a la regionalización sísmica del pais propuesta por la Comisión Federal de Electricidad, el sitio se ubica en la región B, tercera en orden de importancia de las cuatro en que se ha dividido, y en base a las condiciones estratigráficas definidas y siguiendo la secuencia establecida por la CFE, resulta que el terreno de cimentación en estudio se clasifica como de TIPO Il. Para la Terminal de Usos Múltiples, en el área del muelle se encontraron dos formaciones: Formación 1. Suelos usualmente de compacidad baja a media o de consistencia muy blanda a media, que alcanzan una profundidad que oscila entre —-19.4 y -21.3 m. Normalmente aparecen primero arenas finas poco arcillosas, color gris verdoso, con poca pedacería de concha, en estado suelo a medianamente compacto. Después se detectan arcillas con diferentes contenidos de arena fina, color gris verdoso oscuro, con vestigios de concha y de materia orgánica, sin descartar la presencia de estratos aislados de turba; estos suelos muestran una resistencia al corte muy variable desde blanda a muy firme, aunque predomina la consistencia muy blanda a media. 119 --- ~--- PLO E LI Ci N L RTO E S CAS, SCO r ación , uelos sos pactos, al s r cen a f i d e scil tre ,2 ,2 m~ r ación , uelos eral ente t r l za r il im sa ezcla, nsist ncia l a uy ir e, n t s a r a pacta, sta a f di ad e scil tre .4 ,3 , r ación 4~ eaparecen el s r o r il o s pactos, rci l sa ra; t s as n r i i n ci a el s lt i t ncia, r ación , uelos sos uy pactos, ales r cen a f di ad e scil tre .4 e ti n sta l l deos, e erdo i ali ci n ica el ís uesta r omisión deral e l ctri i d, l iti i a i n , ra r n ort ncia atro e i i i o, se dici es tr ti r fi s fi i s i o uencia t bl ci a r FE, ult e l o e entación t dio l sifi o I 11, ara r inal sos últi les, l r a el uelle contraron s aciones: r ación , uelos al ente pacidad j edia nsist ncia uy l a edia, e l an a f i ad e scil tre -1 , ,3 m~ or al ente r cen r ero as in s co r il s, lor ri r oso, n ca dacería e cha, t o elo edi a ente pacto, espués t ct n rcill s n if r t s t ni os r a , lor ri r so curo, n sti i s cha e ateria r ánica, i scartar encia tr t s i s a; t s elos uestran a i cia l rt uy ri ble sde l a uy ir e, que ina nsist ncia uy l a edia, EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO Formación 2. Suelos arenosos compactos, los cuales aparecen a una profundidad que oscila entre -19.4 y -21.3 m y que continúan hasta el final de los sondeos. Esta formación está compuesta por arenas finas poco o muy poco arcillosas, color café amarillento o gris, con vestigios de concha, en estado muy compacto. Para la zona de instalaciones complementarias, se encontró: Formación 1. Suelos de compacidad baja a media o de consistencia muy blanda a media, hasta una profundidad que oscila entre -18.5 y -23.5 m. Se presentan primero arenas finas poco arcillosas, color gris o gris oscuro. con poca pedaceria de concha, en estado suelto a medianamente compacto; cabe destacar que la arena fina suelta, reporta un espesor que varia entre 2.6 y 5 m, por lo que llega a profundidades de -1.1 a -5.1 en los mismos sondeos. Continúan suelos arcillosos con diferentes contenidos de arena fina, color gris verdoso oscuro, con vestigios de concha y de materia orgánica, y en ocasiones con lentes de arena medianamente compacta; estos suelos muestran una consistencia errática desde muy blanda a muy firme. predominando la consistencia blanda. Bajo los suelos arcillosos reaparecen suelos arenosos medianamente compactos a compactos, o arcilla arenosa muy fina a dura. Formación 2. Se encontraron suelos arenosos compactos, los cuales aparecen a una profundidad que oscila entre -18.5 y -23.5 m y que continúan hasta el final de los sondeos. Esta secuencia está formada por arenas finas poco o muy poco arcillosas, color café amarillento o gris, con vestigios de concha. en estado muy compacto. Destaca la presencia de turba detectada a -31.5 m de profundidad. En el Muelle de la Secretaria de Marina, se definieron tres formaciones relevantes, las cuales son: Formación 1. Se reconoce la presencia de arena fina muy poco arcillosa, color gris, café grisáceo o café amarillento, con poca pedaceria de concha, en estado compacto a muy compacto con ¡entes medianamente compactas. Esta formación alcanza una profundidad media de -7.5 m. 120 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Formación 2, Reaparecen arenas finas poco arcillosas, color gris oscuro, con vestigios de concha, en estado suelto a medianamente compacto, y cuyo horizonte inferior se encuentra entre -10,5 y -12,2 m, Le subyacen arcillas con poca arena fina, color gris verdoso oscuro, con vestigios de concha y de materia orgánica, sin descartar la presencia de estratos de turba, de consistencia muy blanda a blanda, y que alcanzan una profundidad de -14,7 a -16.4 m, Le siguen suelos arenosos medianamente compactos a compactos, o arcilla arenosa muy fina, Formación 3, Se encontraron suelos arenosos compactos, los cuales aparecen a una profundidad que oscila entre -17,9 y -20,0 m y que continúan hasta el final de los sondeos. Esta formación está compuesta por arenas finas poco arcillosas, color café amarillento o gris, con vestigios de concha, en estado muy compacto. IV. 2. 3 Exploración de Bancos de Materiales Los bancos de materiales cercanos a la zona son tres, mismos que fueron analizados y se enlistan en la Tabla IV.1, incluyendo las caracteristicas y medios de transporte disponibles para su acceso. Estos sitios se contemplan como posibles apartadores de roca para la construcción del núcleo, capas secundarias y talones de los rompeolas. PI EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Tabla IV.1 Evaluación Comparativa de Bancos de Roca para Dos Bocas, Tabasco. BANCOS ! CARACTERisTICA BALZAPOTE TATAHUICAPAN TEAPA I 14 km de terraceria a S.J. 180 km por carretera Distancia de Acarreo 200 km por mar Volador. 5 km pavimentados a pavimentada y 3 km por i Pajapan y 135 km en línea recta I por mar terraceria Tractocamiones y Tractocamiones y camiones de I camiones de descarga descarga trasera (Rear Dump Tractocamiones y camiones de Medio de Transporte (Rear Dump Trukcs) , además del uso de Trukcs) además del uso de descarga (Rear Dump Truk·:s) I chalanes. chalanes. NFRAES- -RUCTURA Media, requiere I nEDIOS DE rehabilitación de la Media, requiere rehabilitación del , Media, requiere una peque":a I -RANSPORTE Infraestructura infraestructura portuaria camino de acceso. ya existe un rehabilitación del camino ce ! , TRABAJOS existente y ligera frente habilitado de explotación y I 'REVIOS rehabilitación del camino de patios de maniobras acceso. I acceso , Se tiene que rehabilitar la Ligera rehabilitación de un I Trabajos extras previos a la infraestructura portuaria y camino de acceso y total Rehabilitación de la rampa :e I explotación del Banco ligera rehabilitación de construcción de las instalaciones acceso. ¡ portuarias en S.J. Volador o en L accesos. del Ostión. Régimen de propiedad Ejidal. Situación social muy Ejidal y propiedad privada Propiedad privada I problemática 185,000 m J en plataformas Material aprovechable existentes 1'000,000 m3 en 1'320,000 m3 Opción 1 2'000,000 m' 'OLÚMENES zona aun sin explotar Opción 2 1'600,000 m' 'STIMADOS DE XTRACCIÓN Nulo en plataformas Opción 1 135.000 m' I Descapote existentes 220,000 m3 en 167,000 m' I zona aún sin explotar Opción 2 200,000 m' I , Clasif. Geológica Basalto Basalto Caliza ! Fragmentos en su mayoría del Fragmentos en su mayoría :el Fragmentación probable al Fragmentos del tamaño tamaño requendo para coraza y tamaño requerido para coraza y . requendo para transiCión en menor proporción matenal en menor proporción mate' al efecto de una correcta (capa secundaria) núcleo y aprovechable para capa aprovechable para capa I voladura agregados si se requieren secundaria, núcleo y agregados secundaria, núcleo y agrega:·Js si se requiere. si se requiere. Resistencia a la Compresión I Uniaxial (kg'cm~) 2126 - 2360 1662 - 1994 465 - 706 1;>400,2;>150 kglcm' I ALlDAD DE LA Peso específico ton/m 3 3.09 2.66 - 2.94 2.55 - 265 : OCA 1 ;<2.5,2<2.3 ton/m 3 , Pérdi~a desgaste Los , Angeles % 10.49 -13.16 14.65 -15.32 32.48 - 3362 I 1 ;<40%,2:<35% , Pérdida por intemperismo acelerado % 2.5-16.8 15,6-17.4 5.2 - 6.3 , 1;<3.5%.2;<10% I Utilización de rezaga Para núcleo Es mínima, moneándose puede Es mínima, moneándose pue-:le existente utilizarse para la coraza utilizarse para la coraza ELECCiÓN DEL Calificación estimativa para: C No recomendable C Muy recomendable e Muy recomendable ANCO Coraza (C), Transición (T) y T Recomendable T Recomendable T Recomendable I Núcleo (N) N muy recomendable N No recomendable N No recomendable I NORMA ASTM 1, NORMA PEMEX 2 I o EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO IV.3. Análisis de Procesos Costeros En esta sección se analiza la información referente a los procesos fisicos determinantes en la zona, para comprender su comportamiento y determinar su influencia para el diseño de los rompeolas, IV, 3, 1 Viento Para este estudio, se obtuvo información del comportamiento eólico prevaleciente en la zona a partir de dos fuentes distintas: • La estación meteorológica de Dos Bocas, en Tabasco (con coordenadas 18° 26' de latitud norte y 93° 10' de longitud este) • La estación Meteorológica Paraiso, en Tabasco (con coordenadas 18° 24' de latitud norte y 93° 10' de longitud este, A partir del análisis de la información, los vientos reinantes (Figuras IV,5 y IV,6) son en orden de ocurrencia, los provenientes del noroeste (29%), norte (192%), este (16%), sureste (16%) y noreste (10%), con velocidades medias comprendidas entre 7 mis (14 nudos) y 6m/s (12 nudos), En los registros de PEMEX, referentes a la intensidad de los vientos se incluyen valores muy altos para las direcciones este, noreste noroeste y norte, aparentemente correspondientes a condiciones extremas y de muy escasa ocurrencia, sin embargo, se puede mencionar que para la totalidad de las secciones, la velocidad máxima del viento oscila entre 20 y 35 mis con un valor extremo correspondiente a la dirección noroeste, en la cual se alcanza una velocidad de 45,5 mis 1" EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO - ; , • I e e I ~ • I I '-' • ~ • U -• O - O .• O , o· " " I ' U!:.J " O ,~ " .. u .. :' ;, lJ 11. .' • .. ., .. " ., ~ .' ••• U , " " ~I tI T '1 u U,U "O · ... O< .. .. O :' ti , l' u • ... " .. • O O , U K'~ .. • , 1 u r'" , " . " " .. • .. • • • O • I , " ,. .. u ... I1 I • • ;' : ~I .. .. , , O • ,,1 " " ... l., ¡ I . " • lO l' O' , : ", . ::1 ... " ~~ • 1:' ~. ~oe !I.lltla 1.11 ..... ~ Do OOJII;ZNToU!l;)( to<;ll8C,O ·.lI\.f,~.1I .. _ ,. V • nlAOQN ~!Cf¡ClU)(»c .. 1Xl8 SQC.t..I, B< he .. ....:Q , ce-< COXlRJEIU.04S '8" ~ [lOE LA Tm.Cl ~ " -.3" 10 DE LONGm.ll ES'" , UT~ ~1!0ACl.0QIC.0, PAA,l.lSo. 00 rA8ASCO • COJo COOADI¡ .... ¡;U.S ,.. Joe !)lO c,uIT~ ~ y U· 10 OE LOI COCA;lENACIA 9 .. 1" il OE LA TIf1..(l "iOR"TE y .,. 10 CE LC)IoIQflUl DTr. ) ,~. / ","zo"... .~. " I " , 1 ~!~ Figura IV.6 Rosa de Vientos Reinantes Anual 124 .,...,~. .~ tr.l • --' .... ,~ ... , " ... '0'(,' • EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO IV, 3, 2 Oleaje Normal La caracterización del oleaje normal que se presenta en la zona de Dos Bocas fue realizada en base al procedimiento estadístico de mediciones de altura y periodo, registrados durante 6 años (1987 a 1992) en un instrumento medidor del oleaje operadO por el Departamento de Meteorología de PEMEX en Dos Bocas, El ológrafo se encontraba ubicado alrededor de 500 m a partir de la costa, a una profundidad del orden de 8 m, Con base en esto, se consideró, para el manejo de los datos, que el oleaje ha sido afectado en dirección y altura por efecto de refracción, La rosa de oleaje que se presenta en la Figura IV,6 representa el procesamiento estadístico de los registros de oleaje, en función de su distribución frecuencial, de su ocurrencia para cada dirección, El oleaje proveniente del NNE resulta ser el más frecuente, pudiendo caracterizarse con una altura de ola significante de 1 m y periodo de 6,7 s, Los oleajes provenientes del NE, N Y NNW resultan ser los eventos más frecuentes que siguen en orden de ocurrencia, sin embargo debido a la altura corresponde a los oleajes del NW, NNW y N ser los eventos dominantes, Estacionalmente, la ocurrencia del oleaje del NNE se mantiene durante todo el año con pequeñas variaciones en su altura característica; el resto de las direcciones registra variaciones de poca magnitud a lo largo del tiempo, excepto para la época de invierno en donde la presencia de los nortes se manifiesta con una mayor influencia en altura y periodo de oleaje asociado a las direcciones NNW y N, En la Figura IV,7 se representan los valores de oleaje calculados a partir de los comportamientos estacionales r " .... i~ . EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Il,.,.. G I , I ~ , , o , I I .~ -:., 0011 _ .! DII : .. _ :;-u 1" nJI 11r,~.; co.: ¡ ~ UQ ~UI •• n.a lf1 a .. · •• ·u, 4CI. .. ""U\J.IU'Ol., n!~u '': "_ "' ar ~.' I no, 1-, '" ":·11_ ,.., Ul u-u. HI ~r u u :un ,lit U-oQ e '¡-'I e I ~.') ~.¡ "_, 1.01 u'. I.!:n ~1IO OlCII ~ :..lO ¡:.:.t UI 1).. .' 11;' ':.:.. 'lA: • l' • l' '., ,. • • 4" \ \ Figura IV.7 Rosa de Oleaje Anual IV.3,3 Oleaje Ciclónico . , . ~ ! I I Para el estudio de este fenómeno, se analizaron diversas fuentes de información sobre los principales huracanes, depresiones y tormentas tropicales registradas a los largo del tiempo en las inmediaciones del puerto petrolero de Dos Bocas; el periodo de observación de dichos eventos parte de la década de los sesentas a la fecha, considerando que en este periodo se tienen registros mas completos sobre los eventos ciclónicos. Una vez identificados los eventos por analizar, la aplicación del método de Sverdrup-Munk y Bretchsneider (Shore Protection Manual. 1984) condujo a la determinación de los oleajes generados por estas tormentas, siguiendo la metodologia propuesta por el U.S, Army Corps of Engineers (USCE) así como el procedimiento descrito en el Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE, en su sección de Hidráulica Marítima (C.F,E., 1983). EJEMPLO DE APLICACIÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO En la Tabla 1V. 2 se muestra un resumen de los eventos analizados, así como de las caracteristicas del oleaje ciclónico en la zona de generación sobre el puerto de Dos Bocas. Tabla IV.2 Caracteristicas del Oleaje Ciclónico para los Eventos Analizados =>" na de rs Antro adas Mn DEAN A ee Donar a! ur ba an Ta =+y ele Cat o . - : =.T a 2 E o . . e . 7 o -— — > e a Tio rn LT o a AA tn pirmaria zada 1 z sita edo mi "as Tino A 64? LA <ñ .e* 1185 35 | o . - ] Ea uta > 234 A Le: 42 =>. morata ES 44 50 “Ear “215 o 11as o ES 2 135 216410 Lis : Za sen Tot HE 213505)0 EL “1 4% ta “a Als : oz - a > . - + 2 y 33 - Han E EA a 7% pa .* “nz Lara to 20 ” Ln - Trut Dic 2% 31 “31 tato E a me u7 v.LO da Lata 2 l pracan 3: fra? A] “1 ni 05 | - 1 * - A - : ¡ € a y E :3 69 5 $. 4847 573 Huracan] 3280 +1 ant 257) dE 1231 10 1918 | en OO 0 5105 me 5. ts TegTrop, 1375s 1335 64 64 6 579 206 1 755 > ¡PE ] : at 1573 $ bu pe Sen Tias * x Sa 112 605 rs 1024 45d $ Exa 41 3 a ES Le” 33 44 71 e - : z DS . a , on Terp O] 29.9 $ £7 105 1177 +75 9 e Fareeria opc al ei e 210 al .” 1226 +00 Lep Trap lo Fa 3 1112 ba 15 585 19 24 . E? 4 5 ar Edun pd] TA.AR a 142 cy Ta Tu ! Van 155 5-2 2-2 1+1 22 341 j 9T3; Menca 14 ) 13.40 ma eno SST ¿TE Miarit]o 5.89 25.70 261% 35 41,75 «31 80 3474 arras s 20 bo Po es m3 +35 aro Tres 1295 4er 725 5447 a . ar 1” E Tos toca : Prey a ni! ES MES 13 ta $ Enano Ya co Tas Pa, Lo. -- ta Ta ne yal da “NE, 2 a pas =: Ara 12 “sao - a ac as ib sl Zas -L ca aid * irreeania 2 al D ets oa z "e. +77 Za 17 $1 7 .7 . "e cruda oral ra 71 4+ - To 7a* ES L.4? can “a , : ts Parr > TI) A y - Tr 193 75 zu a? a: a e zu * “ e ! - - . o. ] t mm . Ia , 33 1 23 45 . o. e ro PO ad 61737 117 5:39 4 o 1:54 ve 237 E iToemenía operada A cc 13) at o E mE.z 255 Tem Tanga 1147)? o EAT 77 7 1,3 ¡ , ! E + 22%. 57 253 1178 nta 1 1 * is. "menta teca Esa 5 sé 1 15% 17 = To ap 15 FERRE m3c* £17 Ste “E ni | mar 25 32) Ti z 74 AAA “923 35 66 Al 54 + 13 44 Y nal , ' ¡ . Cartas d Ma - a : EA ha ES 1 +7 PA E GA w a Ea : 175 Trae Ay 5, n 331 23 .” e” Fr 1 Sm: , 2724 1 - raror 372 470% as “+ + + ' | . .., Lo t- 1 7 -* ' Tr “e. Lal po | a Ta ta dr ” pi E as tn. -* A 40+ 5 + Ger .£ ari 2 ser . 5 1121 te il 1 na. LA 1571 ETA 13 19.75 “ss rupo PAL 14d 313 5: 117 55 Foo! Eua3ina 2 A ¿ Pot -, 3” Ma 2254 7 “13 A A+ | tyaó ES 13 Zoo af = — Test EA 5 4221 0, 1er a” e a => + ..: ERA Como puede observarse en esta tabla. de los eventos estudiados, el huracán Laurie (octubre de 1969) es el evento con mayor influencia en la zona de estudio, provocando oleaje de 4.85 m de altura y periodo asociado de 5.77 s. En orden descendente, el huracán Brenda y la tormenta tropical Hermine, provocaron 4.8 y 335 m y periodos de 8.2 y 8.14 segundos, respectivamente. Cabe mencionar que el huracán Gilberto tuvo una gran intensidad, sin embargo no afectó la zona ya que su trayectoria estuvo aproximadamente a una distancia minima de 400 km del puerto de Dos Bocas, y el oleaje llegó al puerto con una altura de 2.6 m máximo. 'JO,_ '.~.'; ------------------------- J PLO E LI Ci N L RTO E S CAS, SCO n l abla I . uestra en ntos ali dos. si o r cteristi s el l j i i o a neración bre l erto os ocas. abla . aracteristi as el l aje i l nico ra s ventos nali dos ,:~.,. ,.,..~ ;..\ (:1 v_,'. .... ",. ., .~ ''; .' ,,·,,1 L, o'. .,,''''''~ , '1I •. ;.-::. .... ~",.~.:. J!:" : .. o 'OI>, 1J~~~ lOU : '. • ~4 .~.: !: '" : 1 :J (.:; : ; ';'; ~­ ·t: '': _~l ." ... ~'rp 5Jl. 1.~,·· 15 •• , -X) =.~ lo..,,,: l'. <:' .-~ !'p· ..... ''1-1j !;!..~') " .. ' .. ~ •. ' '''1' "------..,.... •• "_0 ,_. __ .=r:::-~ .. _ """_ .. _.'. o· •• _ _"0' .-::~~=~-:-:- :'~?': ~~: ~::.:::::- -"-~.:_:':: : : : :_:~::.: ¡O :: :~: --.:.:~ :.:-•. ~ : .• _:_=~~~ ___ --..: .. : :-.: -..:_ - - --.-- .---"" -- _. --._. -- -- .--- _. - _. -~-",,,,.,--,-- -- _. __ ._------- --' --------- ...:....._--------_._--- ._-- - _.- - _., Figura IV,9 Malla Reticular para el Golfo de México (USCE) Particularmente el estudio se concentró en una zona cercana al Puerto de Dos Bocas y se definió dentro del área de modelación una estación en la cual se generó un conjunto de datos que incluyó: fecha, altura de ola significante, periodo y dirección de propagación, El conjunto de datos documenta las condiciones enlistadas a cada 3 horas y por veinte años, de igual manera que corresponden las imágenes satelitales de campos de presión atmosférica, Posteriormente del conjunto de datos asociados a la, estación GM109, que corresponde a una profundidad de , se hizo un análisis estadístico de valores 111 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS EN TABASCO extremos de altura de ola significante asociados a periodos de retomo de 5, 10, 25, 50, 100 Y 200 años. El análisis consideró tormentas tropicales, eventos no tropicales (nortes), y la unión de los dos eventos (tormentas tropicales y nortes), esto debido a que ambos tipos de eventos pueden tener diferentes distribuciones estadísticas. El resultado de este análisis estadístico extremal se muestra en la tabla IV.5, que documenta valores de altura de ola en la zona en estudio a una profundidad de 9 m. Cabe decir que los valores presentados tienen rangos de confiabilidad aceptables hasta periodos de retorno de 50 años, en virtud de la extensión del conjunto de datos que cubre un periodo de 20 años, es decir, los valores para 100 Y 200 años son indicativos y con pocos rangos de confiabilidad. De hecho el USCE recomendó utilizar para diseño los valores asociados a un periodo de retorno de 50 años. Por otra parte, el estudio también evaluó la propagación del oleaje de diseño desde la profundidad de la estación GM109 hasta la de proyecto (9 a 15 m respecto al NBM ). con el fin de determinar si oleajes con las alturas de ola determinados en la Tabla IV.5 incidirian sobre los rompeolas o romperian previamente por someramiento. Como parámetro limite se observó que a la profundidad a la que arranca la nueva extensión de los rompeolas, i.e. 9 m, la altura de ola máxima de rompiente es de 5.77 m. Las alturas calculadas en un punto justo a la entrada del puerto, denominado Estación ST008 y localizado a una profundidad de m se presenta en la Tabla IV.6. En esta tabla y para el periodo de retorno recomendado de diseño, los valores marcados con asterisco, indican que la ola ya ha roto a una profundidad de 9 m. Obvio es decir que las alturas indicadas sí pueden incidir en profundidades mayores Igualmente de la Tabla IV.6, se observa que para un periodo de retorno de 50 años, la altura de ola extrema esperada es de 5.4 y 6.4m. para tormentas tropicales y nortes, respectivamente. Para este mismo periodo de retorno, combinando los dos tipos de eventos, la altura de ola esperada es de 6.5 m. 133 EJEMPLO DE APLICACiÓN Al PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO Tabla IV. 5 Periodo de Retorno vs Altura de Ola Significante para la Estación GM109 EVENTOS TROPICALES Periodo de 5 10 25 Retorno (años) 50 100 200 Medio 3.18 3.89 4.80 5.48 6.14 6.81 Límite Superior 3.60 4.46 5.57 6.39 7.21 8.02 Límite Inferior 2.75 3.32 4.04 4.56 5.08 5.60 EVENTOS NO TROPICALES (NORTES) Medio 5.04 5.51 6.11 6.56 7.00 7.44 Límite Superior 5.32 5.89 6.61 7.15 7.68 8.22 Límite Inferior 4.76 5.14 5.62 5.97 6.32 6.66 COMBINACION DE AMBOS EVENTOS Medio 5.14 5.59 6.17 6.60 703 7.46 Límite Superior 5.41 5.94 6.64 7.15 7.67 8.18 Límite Inferior 4.86 5.23 5.70 6.05 6.39 6.73 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Tabla IV,6 Periodo de Retorno vs Altura de Ola Significante para la Estación STO OS EVENTOS TROPICALES Periodo de 5 Retorno (años) 10 25 50 100 200 Medio 2,99 3,74 4,69 5,40 6,10* 6,79 Límite Superior 3.43 4,34 5,50 6,36* 7,22* 8,08* Límite Inferior 2,55 3,14 3,88 4.43 4,97 5,51 EVENTOS NO TROPICALES (NORTES) Medio 4,97 5.40 5,95* 6,36* 6,77* 7,17* Límite Superior 5,23 5,74 6.41* 6,90* 7,40" 7,89* Límite Inferior 4,71 5,06 5,50 5,82- 6,14- 6.46* COMBINACION DE AMBOS EVENTOS Medio 5,08 5,51 6,06- 6.47" 6,87" 7,28" Límite Superior 5,33 5,84- 6,50" 6,99- 7,48- 7,97" Límite Inferior 4,82 5,17 5,61 5,94" 6,27* 6,59* , , " Altura de ola Significante extrema que ha excedido el valor limite de profundidad (se ha presentado la rotura de oleaje) Los valores que se generaron a partir de este estudio, para el diseño de los rompeolas fueron: a) Altura de ola de diseño, La altura de ola de diseño recomendada en el rompeolas oriente, lado exterior, es de 6,5 m correspondiente al valor redondeado promedio mostrado en la Tabla IV,6 para un periodo de retorno de 50 años y la condición de combinación de ambos eventos, El coeficiente de Hudson (recalculado a partir de la fórmula de Hudson, con la correspondiente altura de ola de diseño) es ko = 14,3 en cuerpo y 13 en el morro, Para el talud interior (lado puerto del rompeolas) se considerará una disipación de energía del 135 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO 50% de la altura de ola de incidencia del lado mar, es decir 3.25 m, con coeficientes de diseño iguales al anterior. En el rompeolas poniente se diseñó con una altura de ola en el lado exterior de 5.8 m (condiciones de rompiente), con coeficiente de Hudson de ko = 11 para el cuerpo y ko = 13 para el morro. Para el talud interior se tomó en cuenta una altura de ola de 2.9 m, con iguales coeficientes de diseño que en el exterior. b) Marea de Tormenta Se tomó en cuenta el nivel de Pleamar Máximo Registrado, de 1.135 m, considerando los efectos de sobreelevación extrema de la superficie del mar. c) Alcance de la Ola En el diseño de los rompeolas se considera que no debe existir rebase de oleaje sobre la estructura. El alcance de la ola se definió a partir de las aproximaciones que han sido registradas en modelos a escala para diferentes taludes de coraza y tomando en cuenta valores de corrección por escala y porosidad de la capa receptora de la energia de oleaje (Shore protection Manual, 1984). Los niveles de la estructura y geometria quedaron definidos en función de los efectos de rebase de una altura de ola de 6.5 m y un periodo de 12 segundos para un periodo de retorno de 50 años. IV.4.2 Alternativas Propuestas para /a Coraza de los Rompeo/as Tres alternativas de coraza fueron evaluadas para encontrar una opción constructiva más adecuada atendiendo a los avances tecnológicos observados en los últimos años y a las condiciones existentes y particularidades del puerto de Dos Bocas. La diferencia fundamental entre las alternativas radica en el tipo de elementos constitutivos de la coraza, considerando para fines de evaluación y selección las siguientes opciones: • Cubos ranurados EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO • Tetrápodos • Acrópodos/Core-locR IV.4.3 Comparación y Evaluación de Alternativas En el análisis comparativo, se consideran los aspectos de factibilidad ténica, constructiva y de colocación de los elementos de coraza. así como el costo. La Tabla IV.7 resume los resultados obtenidos en la evaluación de las alternativas: Tabla IV.7 Resultados de la Evaluación de Alternativas Tabla de Evaluación de Resultados Grado de Gasto Total Tipo de Gonfiabilidad Facilidad de (Millones de Elemento Técnica Colocación Fabricación Pesos) Cubo 1 1 2 201.50 Ranurado Tetrápodo 3 2 1 183.05 Acrópodo I 2 3 3 127.46 Core-locR 1 = Más Aceptable 2 = Intermedio 3 = Menos Aceptable Como puede observarse, el Acrópodo IGore-locR , presenta el costo total más bajo, sin embargo, posee un alto grado de desconfianza técnica. en comparación con las otras alternativas; esta desconfianza se dio sobretodo por el desconocimiento. del elemento hasta entonces en nuestro país. Su bajo costo, indica que puede ser una alternativa seleccionable, y basados la ventaja que representa esta situación, se decidió realizar estudios con modelación en laboratorio para observar y verificar el comportamiento del elemento, para así concluir el grado de confiabilidad para el caso especifico de los rompeolas de Dos Bocas. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO El siguiente subcapitulo incluye principalmente la modelación en laboratorio del elemento para diferentes condiciones de oleaje y corrientes, a fin de verificar la posibilidad de utilizar el Core-locR para la construcción de las obras de protección. IV.4.4 Optimización y Validación del Diseño de la Sección Transversal con Modelación en Laboratorio Objetivos Del Modelo De Investigación El propósito de la investigación fue determinar por medio de pruebas en dos dimensiones, la respuesta a la estabilidad de tres propuestas de rompeolas, así como la transmisión de la energía de oleaje en las condiciones seleccionadas. Relación de escalas entre modelo y prototipo Las pruebas condujeron a una escala geométrica no distorsionada de 1 :38, modelo a prototipo. La selección de la escala de modelación fue basada en medidas de modelos de coraza disponibles en laboratorio, comparada con la medida estimada de coraza requerida en el prototipo para la estabilidad, eliminando los efectos a escala en la transmisión de oleaje, previniendo los efectos a escala en estabilidad (Hudson, 1975) y considerando el tamaño del canal de oleaje existente en el laboratorio. Basados en la ley de similitud de Froude (Stevens 1942) y la escala lineal de 1: 38, se analizaron las siguientes relaciones modelo-prototipo. Las dimensiones son en términos de longitud (L) y tiempo (T). Tabla IV. 8 Escalas Entre Modelo y Prototipo Característica Dimensión Relación de escala Modelo-Prototipo Largo L Lr = 1:38 Area L2 Ar = Lr2 = 1 :1459 Volumen L3 Vr = Lr3 = 1:55743 Tiempo T Tr= Lr 112= 1: 6.18 I~Q EJEMPLO DE APLICACiÓN Al PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO El peso específico del agua usado en las pruebas se tomó de 1,0 kg/m 3 y del agua de mar de 1.025 kg/m 3 . Los pesos específicos de los materiales de construcción del modelo fueron obtenidas con la siguiente ecuación de dimensionamiento: Donde: Wa = peso unitario de la estructura m,p = modelo y prototipo, respectivamente Ya = peso especifico unitario L."ILp = Escala lineal del modelo Sa = gravedad unitaria relativa especifica de la estructura. (IV 1) En los modelos de investigación de este tipo, las fuerzas gravitacionales predominan, excepto cuando se considera la energia transmitida a través del rompeolas. Como el material del núcleo fue escalado geométricamente acorde al modelo de Froude, los números internos de Reynolds deben ser bajos y debe disiparse mucha energia. Sin embargo, para todas las pruebas, se consideraron piedras más grandes para el material del núcleo (Keulegan1973, LeMéhauté 1965) para poder reproducir la energia de transmisión del oleaje. Equipos de Prueba Todas las pruebas de estabilidad y transmisión fueron realizadas en un tanque como se muestra en la Figura IV. 10 Los oleajes irregulares fueron generados por una máquina de oleaje hidráulica tipo pistón. EJEMPLO DE APLICACIÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO SITIO DE LA MAQUINA GENERADORA DE OLAS E "(7 ROCA ABSORBENTE A A POE a o — A ” ” SECCION A -A io a TA , _ _ ES a E [RE ROCA ABSORSENTE Ad — A o SS A Mt Lo A A A I a 4 ROCA ABSORBENTE 1 75 INCLINACIÓN 1 100 INCLINACIÓN SECCIÓN DE PRUEBA - - AA SAA O Figura IV. 10 Caracteristicas y Dimensiones del Tanque de Oleaje Los datos de oleaje fueron compilados con un capacitor eléctrico medidor de oleaje, el cual fue calibrado diariamente con un procedimiento de control computacional. Esta técnica, usando muestras de voltaje de 21 por prueba, minimiza los efectos de relajamiento en el manejo del engrane y de histéresis en los sensores. La calibración típica de errores es menor al uno porciento en toda la escala para las medidas de capacitancia de oleaje. Todas las secciones experimentales del rompeolas fueron construidas como una reproducción lo más cercana posible rompeolas a escala real. a los métodos usuales de construcción de De acuerdo a la colocación del rompeolas, las pruebas se realizaron con un espectro de prueba JONSWAP, el cual usa un factor de perfeccionamiento pico de 3.3. Se 140 DISIPADOR DE OLEAJE ~~~--- PLO E LI Ci N L RTO E S CAS. SCO 1.'--' I I E AQUINA ERADORA E LAS PISO ----'-'-~- '. '.'- :-)~.' ... ~ .' __ ·<:-'~~:.:C -- .l,... ---._-_ ---.h ____ o CI N - A,- -'-' ------_ .• -----_. __ _ ::tt,(·~,.tzT;->;::,O"-::_':-_::~~ í-~ ~OCA ¡;¡se"TE , _·_j~~~~:'::?~~¿.is:.e,-.: i:~ - , CA AaSOR!!ES~E IN I Ci N 0 IN I i N SE Ci N DE ;:~UE9A ___ ._,- - ~ ~.:..-.~::t~,:C:~:;.::.~~~~@ .:.... - ---- el". __ -,~ _o., __ o i --------:. i ra . aracteristi as i ensiones el nque l aje s t s l j r n pil dos n pacitor l ctri edidor l aje, l al li o i ia ente n di iento ntrol putacional. sta nica, ndo uestras lt j r n eba, i i iza l f ct s l ja i nto l anejo el gr ne i t r sis l sores. li i n tí i e r r s s enor l o rci nto a l cala ra l edidas pacitancia l aje. das l ci es eri entales el peolas r n nstr i as o a u ción l ás r na sible l étodos ales str cci n peolas cala al. e erdo l l ci n el peolas, l bas li r n n pectro e ba SWAP, l al a f t r rf i iento i . . e 0 ----- --------------------------------- EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO seleccionó un periodo pico de oleaje de 12 segundos. La propuesta de oleaje de diseño fue de 6 m; de cualquier modo, se investigaron las respuestas de estabilidad a la prueba de la primera sección para varias alturas de ola siguiendo el siguiente hidrograma de tormentas: Tabla IV,9 Infonmación Sobre Hidrograma de Tormentas Paso No, Marejada de Tp (s) Hmo (m) Duración (h) Tormenta NBM (m) 1 + 1.135 12.0 3.0 3.0 2 + 1.135 12.0 4.0 3,0 3 + 1.135 12.0 5.0 6.0 4 + 1.135 12.0 6.0 12.0 Las alturas de ola transmitidas fueron medidas a 100 Y 150 m del rompeolas sobre el generador. Se usó el método de Goda y Suzuki's (1976) para resolver el espectro de incidencia y reflejo. La sección de estudio se muestra ella Figura IV. 1 O Figura IV.1 O Sección del Rompeolas para la Realización de las Pruebas Descripción de la prueba 1 En la prueba 1 (Fig. IV.5 y fotos 1-3) se colocaron acrópodos con 21.6 y 12,4 Ton en lado mar y lado puerto, respectivamente. La coraza del lado mar fue apoyada sobre una pared inclinada la cual tenía una elevación de 2.1 m (sobre el núcleo) y una elevación total de 8.7 m. Se usaron los taludes de 1.5 H, en ambos lados del rompeolas. 141 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO Para la protección de los talones se usó roca de 3.5 Ton, la cual también se utilizó para la primera capa secundaria. Resultados de la prueba 1. Esta prueba presentó excelentes resultados. Como se muestra en las fotos 4-6, no existe daño evidente. Inicialmente fueron planeadas pruebas solamente para olas de 3 a 6 m, sin embargo, la respuesta a la estabilidad de la prueba 1 fue tan favorable que se decidió extender la prueba con olas de 7 m. Descripción de la prueba 1 A Basados en la excelente respuesta de estabilidad de la prueba 1, se decidió investigar los esquemas de la alternativa a la escala del modelo de 1 :38.2 que mejorara la estabilidad o redujera los costos de la estructura sin efectos significantes que afectaran su funcionalidad. Algunos de estos factores que influyen en el volumen y costos son la elevación y ancho de la corona, tipo y peso de la estructura así como el ángulo de inclinación. Se decidió que en este estudio en particular probablemente se podrían conseguir grandes ahorros, reduciendo el peso de ambos lados del rompeolas. El modelo con acrópodos no era apropiado en ese momento, por lo cual, se reemplazó la coraza anterior con elementos de Core-locR de 12.8 y 9 Ton sobre el lado mar y lado puerto, respectivamente. Resultados de la prueba 1A La prueba 1A exhibió una respuesta a la estabilidad excelente, Como en la prueba 1, se observó el comportamiento en el sitio de un par de unidades durante cuatro pasos. Sin embargo, como se muestra en las fotos 7-9, no se observó daño por desplazamiento. Como con la prueba 1, los experimentos se extendieron a oleaje de 7 m. Otra vez. no se observó daño por desplazamiento. De acuerdo a las pruebas descritas, se consideró el nivel de marejada de tormenta de +1.135 m, intensificando así el ataque del oleaje sobre la estructura. Para estructuras de este tipo donde se usaron piedras para los talones los niveles más bajos de agua EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO pudieron haber ocasionado que estas piedras fueran más vulnerables, haciendo más difícil determinar su estabilidad. Con otro hidrograma de tormentas (Tabla IV. 1 O), similar al anterior, excepto por el nivel de agua de -0.393 metros, se hicieron otras pruebas. Tabla IV.10 Información Sobre Hidrograma de Tormentas Paso No. Marejada de Tormenta Tp (s) Hmo (m) Duración (h) NBM (m) 1 - 0.393 12.0 3.0 3.0 2 - 0.393 12.0 4.0 3.0 3 - 0.393 12.0 5.0 6.0 4 - 0.393 12.0 6.0 12.0 La prueba 1A se desarrolló sin reconstruir, aplicando los datos del hidrograma 2, No se observó daño durante los pasos 1 y 2. En el paso 3 se produjo un movimiento en el sitio de las rocas de 3.5 Ton en el talón. El movimiento se incrementó durante el paso 4, con cerca del 3% del material siendo desplazado. No se observó movimiento en los elementos de Core-locR para ninguna de las condiciones de prueba. Las fotos 10 -12 muestran la estructura después de las pruebas. Descripción de la prueba 1 B Basados en la excelente respuesta de estabilidad de la prueba 1A, se improvisó otra investigación. Consistió en reducir el peso del elemento a 5.5 Ton. La coraza para la nueva estructura de prueba fue completamente reconstruida con Core-locR de 12.8 Ton en lado mar y core-locR de 5.5 Ton en lado puerto, y probadas con el hidrograma 1. Asi mismo, previo al experimento, fueron repetidas todas las señales espectrales. Resultados de la prueba 1 B La prueba 1 B presentó una respuesta de estabilidad excelente. No se observó movimiento durante los pasos 1 y 2. En el paso 3, para olas de 5 metros, se produjo una oscilación de dos unidades. Durante el ataque de olas de 6 m, se observó desplazamiento de unidades de la parte baja. Las fotos 13 - 15 muestran la estructura al término de las pruebas. Otra vez, las pruebas se ex1endieron con olas de 7 m y otro elemento se desplazó. Como se muestra en las fotos 16-18 , la condición final de la estructura estaba 143 oC( m w ::;) D:: Q. 1 1A 1B 1C EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO excelente con solamente dos elementos desplazados, que representan menos del uno porciento de todas las unidades. Descripción de la prueba 1 C Para identificar las más posibles opciones de estabilidad para el prototipo. fue probada una sección con acrópodos. En la prueba 1C (fotos 19-21). Se colocaron acrópodos de 12.4 Ton en el lado mar y elementos de Core-locR de 5.5 Ton en el lado puerto. Como con las otras estructuras, la prueba 1 C fue experimentado inicialmente con el Hidrograma 1. No se detectó movimiento durante los pasos 1-3. En el paso 4, al ataque de olas de 6 m, se inició el balanceo de dos unidades de roca en el lado mar. sin embargo, no hubo desplazamiento. Las pruebas con olas de 7 m produjeron desplazamiento de una de las unidades . Como se muestra en las fotos 22-24, la estructura mantuvo una resistencia excelente hasta el término de las pruebas. La tabla IV. 11 resume los resultados de las pruebas realizadas. Tabla IV.11 Resumen de los Resultados de las Pruebas ELEMENTOS LADO LADO Altura de OBSERVACIONES RESULTADOS FOTOS TIPO MAR PUERTO Ola (m) (Ton) (Ton) Talud de coraza 1:5 Acrópodos 21.6 12.4 3a6 I Excelentes 1-3 Hidrograma 1 No hubo daño por Se observa un Core~locR 3 a 6, 12.8 9 desplazamiento desplazamiento del 7-12 hasta 7 Hidrograma 1 y 2 3% del material 3 a 6, I Respuesta de Core-locR 12.8 5.5 Hidrograma 1 I estabilidad 13 - 18 hasta 7 Excelente Acrópodos Hidrograma 1. El (lado mar) 3 a 6, oleaje de 7 m Excelentes Core-locR 12.4 5.5 19 - 24 hasta 7 desplazó una de las (lado puerto) unidades 144 EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Discusión de los Resultados de las Pruebas 1, 1A, 18 Y 1 C En conclusión, las pruebas 1, 1A. 18 Y 1C son alternativas estables para la propuesta de rompeolas, Los acrópodos de 21,6 Y 12,4 Ton usados en la prueba 1 son conservativamente estables. Los Core-locR de 12,8 Ton usados sobre la superficie en el lado mar de la prueba 1A también proporcionan estabilidad y los Core-locR de 9 Ton usados sobre el lado puerto son muy conservativos, Las pruebas 18 Y 1 C muestran que se puede reducir el peso de los elementos hasta 5,5 Ton en el lado protegido de la estructura, y que Acrópodos o Core-locR de 12 a 13 Ton sobre un talud de 1:1,5 podrían resultar considerablemente estables para olas de 6 m y aceptables para olas de 7 m, Asumiendo para Acrópodos o Core-locR un peso de 13 Ton y alturas de ola de 6 o 7 m, el coeficiente de Hudson, (calculado con la ecuación de Hudson) queda, como se muestra en la Tabla IV.12: Tabla IV.12 Cálculo de los Valores de Ko para alturas de ola de 6 y 7 m Wr(mt) Cota Ya Yw H (m) H3 Ko 13 1.5 2.4 1.025 6 216 11,0 13 1,5 2.4 1,025 7 343 17,5 De acuerdo a los resultados de la modelación, se concluye entonces, que el Core- IOCR es un elemento de alta confiabilidad técnica para el diseño y construcción de los rompeolas, aunado a su bajo costo en comparación con las alternativas mencionadas anteriormente, La alternativa final seleccionada es el de utilizar los elementos prefabricados: Core-locR en la coraza de los rompeolas, por lo que el proyecto ejecutivo (siguiente sección) se enfoca a los cálculos acorde a esta decisión, 1 .: EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS EN TABASCO IV. 4. 5 Proyecto Ejecutivo de los Rompeolas El diseño final de los elementos prefabricados se determinó de acuerdo a la fórmula de Hudson, utilizando la altura de ola obtenida en las pruebas realizadas en laboratorio, para la determinación del peso de los elementos de coraza, Core-locR para la coraza del rompeolas. Coraza Las características de los elementos de la coraza están definidos por las siguientes expresiones (fórmula de Hudson). (IV.2) Diámetro Medio: D m = 1.15 X (W I y ,) 1/3 (IV.3) Capa Secundaria De acuerdo a Hudson, las características de la capa secundaria son función del peso de los elementos de la coraza, de acuerdo a las siguientes relaciones: Peso medio: W es1 = Wcoraza I 10 Capa secundaria 1 (IVA) Wes2 = WcorazJJ I 200 Capa secundaria 2 (IV.5) Diámetro medio: EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS. EN TABASCO Dm = 1.15 0Ncs I Y ,) 113 (IV.6) Núcleo El rango de peso de los elementos para el núcleo está determinado por las siguientes expresiones: Peso medio: W nueleo = W I 300 (IV.?) Diámetro medio Dm = 1.15 0N I y ,) 113 (IV.8) Talones De acuerdo a Hudson, para los talones se utiliza el material de iguales características a la capa secundaria. El diseño de los rompeolas oriente y poniente quedó de la siguiente manera: Se colocarán elementos de eore-locR de 13 toneladas en el rompeolas oriente en el lado mar, en el lado puerto se utilizará roca de 5 toneladas, que corresponde a la capa secundaria. En el morro se colocarán elementos prefabricados de 14.9 Ton, con condiciones de talud simétricas en ambos lados. El rompeolas poniente se protegerá con eore-locR de 13 Ton en lado mar, en lado puerto se utilizará roca de ? Ton como valor máximo. También se utilizarán elementos de eore-locR de 14.9 Ton en el morro, colocados de manera simétrica en ambos lados del rompeolas. La Tabla IV.13 muestra los cálculos desarrollados y los resultados obtenidos en la alternativa seleccionada para los elementos prefabricados. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Tabla IV.13 Cálculos y resultados para 105 elementos prefabricados Condiciones de Diseño: Periodo(T) (s) 8.0,8.2 Talud 1.5 : 1 Ws (Ton/m3 ) 2.4 Ww (Ton/m3 ) 1.03 NPM 0.5 DH 1.6 NBM O H lado mar (m) 6.5 H Lado puerto (m) 3.25 Kd 13 Y 14.30 ROMPEOLAS ORIENTE Pesos y Espesores Morro Cuerpo del Rompeolas De los elementos Lado Puerto Lado Mar Wc (Ton) 14.40 1.63 13.00 Wcs(Ton) 1.44 0.16 1.30 Wn (Ton) 0.07 0.01 0.07 Wc estándar(Ton) 14.90 1.70 13.0 Espesor en coraza(m) 2.80 1.30 2.40 Espesor en Csec (m) 1.30 0.6 1.0 ROMPEOLAS PONIENTE Pesos y Espesores Morro Cuerpo del Rompeolas De los elementos Lado Puerto Lado Mar Wc (Ton) 14.40 1.51 12.06 Wcs(Ton) 1.44 0.15 1.21 Wn (Ton) 0.07 0.01 0.06 Wc estándar(Ton) 14.9 1.68 14.9 Espesor en coraza(m) 2.8 1.30 2.80 Espesor en Csec(m) 1.30 0.6 1.2 IV.4.6 Comentarios Referentes al Diseño En la siguiente tabla se analizan los resultados obtenidos con ambas alternativas, cada una con sus propios valores de diseño. EJEMPLO DE APLICACiÓN AL PUERTO DE DOS BOCAS, EN TABASCO Tabla IV.14 Cálculos para el Análisis de las Alternativas Original y Modificada. DISENO ORIGINAL I----~.----------------------------~-'-----"--"----""-----------____JI : Datos : Rompeolas W 1- Z W ¡¡: O w 1- Z w Z O o.. , , , , ~----------------- ------------: :Hs Lado mar 9.4: :Hs Lado puerto I 8.5: ¡Ko 6.a: ~y a 1.025: iyw 2.56: ICot ex 1.5: Peso del Elemento Lado Puerto 45,89 Lado Mar Morro Lado Puerto Lado Mar Morro Volumen X OBSERVACIONES <11OU _" •• n.ck Foto 2 Foto 3 152 E AO MY —a. Pei Peor 1 End ovm 31 UA d dret mar EA Foto 1 pa ' E : DOS BACAS A se Photo ?. Sen-sás vw 0? Per 1 nta mató abiací Photo 3 Hatbor=M0e rre of Plan + hetora wave atigtt Foto 2 Foto 3 II>~", Eo>o ~_ " ..... ~ , INI .............. ~. oto . , ..... '0 ) .,.f1Icr-_ .... ,,' "I&~ .... ·ar • ...... • I! .... oto oto Foto 4 Foto 5 Foto 6 Foto 7 Po>o