CABILDO INSULAR DE TENERIFE
PROYECTO BÁSICO:
PUERTO EN EL TÉRMINO MUNICIPAL DEL PUERTO DE LA CRUZ.
(VERSIÓN 02: NOVIEMBRE 2017)
Anejo nº 16. DIMENSIONAMIENTO DE SECCIONES
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CIVIL Y URBANISMO
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Anejo nº 16
DIMENSIONAMIENTO DE SECCIONES
CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 3
2. OLEAJE DE CÁLCULO ........................................................................................... 3
2.1. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE .......................................................................... 3
2.2. ANÁLISIS DE ROTURA ..................................................................................... 4
2.3. ALTURA DE OLA DE CÁLCULO ....................................................................... 5
3. CÁLCULO ESTRUCTURAL DEL DIQUE ............................................................... 5
3.1. METODOLOGÍA................................................................................................. 6
3.1.1. FÓRMULA DE HUDSON ............................................................................. 6
3.1.2. FÓRMULA DE VAN DER MEER ................................................................. 7
3.1.3. FÓRMULA DE JOSÉ MARÍA BERENGUER Y ANTONIO BAONZA PARA
PIEZAS PERFORADAS (CUBOS Y ANTIFER PERFORADOS) ............................. 9
3.2. RESULTADOS ................................................................................................... 9
3.2.1. TRONCO ..................................................................................................... 9
3.2.2. MORRO ..................................................................................................... 10
4. CÁLCULO FUNCIONAL. REBASE ....................................................................... 10
4.1. SECCIÓN SIN ESPALDÓN ............................................................................. 11
4.2. SECCIÓN CON ESPALDÓN ........................................................................... 12
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Tramos del dique de abrigo
Figura 2: Tabla valores máximos de altura de ola y dirección a pie de obra según
tramos
Figura 3: Caracterización del oleaje a pie de obra (situación más desfavorable)
Figura 4: Altura de ola significante a pie del dique de abrigo
Figura 5: Secciones de control
Figura 6: Valores de altura de ola en rotura sobre los pies del talud (en metros)
Figura 7: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (S.P.M.)
Figura 8: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (B.S.I.)
Figura 9: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (bibliografía especializada)
Figura 10: Comportamiento de un talud de escollera en función de la avería
adimensional de Broderick
Figura 11: Comportamiento del manto sobre la base de “S” y “Nod”
Figura 12: Criterio de permeabilidad teórica de Van Der Meer
Figura 13: Resultados cálculo estructural para el tronco del dique
Figura 14: Resultados cálculo estructural para el morro del dique.
Figura 15: Sección sin espaldón (modelo)
Figura 16: Series de olas del temporal para la sección sin espaldón
Figura 17: Rebase acumulado para la sección 4
Figura 18: Rebase acumulado para la sección sin espaldón
Figura 19: Velocidad media de rebase para la sección sin espaldón
Figura 20: Sección con espaldón (modelo)
Figura 21: Series de olas del temporal para la sección con espaldón
Figura 22: Rebase acumulado para la sección con espaldón
Figura 23: Rebase instantáneo para la sección con espaldón
Figura 24: Velocidad media de rebase para la sección con espaldón
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1. INTRODUCCIÓN
El presente anejo se engloba dentro del Proyecto Básico de Puerto en el Término
Municipal de Puerto de La Cruz.
Tiene como objeto definir, a nivel de Proyecto Básico, la obra marítima de protección,
para lo cual se comprobará fundamentalmente la estabilidad (cálculo estructural) y el
rebase (cálculo funcional).
2. OLEAJE DE CÁLCULO
El oleaje de cálculo se ha definido en el anejos nº11 PROPAGACIÓN Y
DETERMINACIÓN DEL OLEAJE DE CÁLCULO a partir de los datos analizados en el
Anejo nº7 CLIMA MARÍTIMO.
A continuación se exponen de forma resumida las principales conclusiones del citado
anejo
2.1. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE
Se han realizado simulaciones para las características de oleaje en aguas profundas en
condiciones de bajamar, nivel medio del mar y pleamar. De esta forma se tienen
simulaciones para cada dirección, altura de ola y período determinados.
De acuerdo con el objetivo de este estudio de obtener las condiciones de oleaje a pie
de obra, se ha dividido el dique de abrigo en tramos coincidentes con sus alineaciones.
En la siguiente figura se pueden ver los diferentes tramos considerados.
Figura 1: Tramos del dique de abrigo
Así pues, los resultados de las propagaciones se dan en forma de condiciones de
oleaje a pie de talud para cada tramo de dique y para pleamar máxima viva equinoccial.
Los valores máximos de altura de ola y dirección a pie de obra para cada tramo,
obtenidos de las propagaciones, se presentan en las siguientes tablas.
AGUAS PROFUNDAS PIE DE TALUD
TRAMO 1 TRAMO 2 TRAMO 3
DIRECCIÓN Hs (m) Tp(s) DIR Hs (m) DIR Hs (m) DIR Hs (m)
NW (315º) 10.75 20 - Ola rota 339º 10.18 335º 10.40
N (0º) 8.62 19 - Ola rota 354º 9.64 0º 9.85
NE (45º) 6.88 17 - Ola rota 12º 5.60 19º 5.62
Figura 2: Tabla valores máximos de altura de ola y dirección a pie de obra según tramos
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Las simulaciones revelan que, como era predecible, las condiciones de oleaje más
desfavorables a pie de obra se dan para las propagaciones de los oleajes de cálculo
para la dirección de NW. Esto se debe a que las alturas de ola en aguas profundas en
estas direcciones son las mayores y a que el oleaje que proviene de estas direcciones
se refracta en menor medida.
Los resultados de las simulaciones de propagación del oleaje pueden verse a
continuación:
Figura 3: Caracterización del oleaje a pie de obra (situación más desfavorable)
Los valores que faltan en las tablas corresponden a puntos en que el oleaje se ha
difractado y en los que, dado que el modelo numérico no considera el fenómeno de la
difracción, no se han obtenido datos fiables. De todas formas, estos valores pueden
omitirse en el estudio dado que la difracción conlleva una importante reducción de la
altura de ola.
A continuación se presentan las alturas de ola significantes a pie de dique a lo largo de
la estructura para el temporal de proyecto (dirección NW, Hs = 10,75 metros y Tp = 20
segundos).
Figura 4: Altura de ola significante a pie del dique de abrigo
2.2. ANÁLISIS DE ROTURA
Una vez obtenidas las condiciones de oleaje propagadas desde aguas profundas a pie
de obra mediante el modelo numérico elegido, se hace una comprobación con el
IH2VOF.
El estudio que se ha llevado a cabo consiste en determinar la altura de ola que rompe
contra la estructura en algunas secciones para comprobar que los resultados del
modelo son correctos y en su defecto para calibrarlo.
Además también se realizará un estudio de rotura mediante el método del método
relativo 2 de Juan Antonio Afonso apoyándonos con las propagaciones realizadas con
el MIKE 21 para ejecutar las iteraciones correspondientes.
Las secciones de control se describen en la siguiente figura.
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Figura 5: Secciones de control
Los valores de altura de ola en rotura sobre los pies de talud en las diferentes
secciones de control son los siguientes:
AGUAS PROFUNDAS MODELO NUMÉRICO
MODELO ESTADÍSTICO
MIKE 21 SW IH2VOF M.R.-2
SECCIÓN DE CONTROL 1 9.36 9.42 9.72
SECCIÓN DE CONTROL 2 10.18 9.52 9.98
SECCIÓN DE CONTROL 3 10.40 9.96 10.40
Figura 6: Valores de altura de ola en rotura sobre los pies del talud (en metros)
2.3. ALTURA DE OLA DE CÁLCULO
Una vez analizados los resultados obtenidos con el MIKE 21 SW, el IH2VOF y el
método relativo 2 tanto en la propagación como en la rotura del oleaje las
consideraciones a tener en cuenta son las siguientes:
- Los resultados obtenidos con el MIKE 21 SW son coherentes con los datos de
partida y se puede comprobar la correcta simulación del fenómeno de rotura.
- El IH2VOF se ha usado para determinar la altura de ola en rotura que rompe en
el pie de la estructura de defensa.
- Las iteraciones del método relativo 2 han sido complementadas con los datos de
las propagaciones en MIKE 21 SW.
Se adopta como altura de ola de cálculo:
Sección del tronco: Hcalc = 9,50 m.
Sección del morro: Hcalc = 8,50 m.
3. CÁLCULO ESTRUCTURAL DEL DIQUE
Para la comprobación de la estabilidad del dique de abrigo, se aplican tres métodos de
amplia difusión en Ingeniería Marítima, cuyos fundamentos se exponen en los
siguientes apartados. Los métodos empleados son:
Fórmula de Hudson.
Fórmula de Van der Meer.
Fórmula de Berenguer – Baonza.
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3.1. METODOLOGÍA
3.1.1. FÓRMULA DE HUDSON
Uno de los métodos de mayor difusión en Ingeniería Marítima para la determinación del
peso de las piezas del manto principal de diques en talud rompeolas no rebasables es
el basado en la formulación de Hudson, presentado por Hudson y Jackson (1959).
Dicha formulación expresa el número de estabilidad (también llamado número de
Hudson) en función de un coeficiente y la pendiente del talud:
31
D50n
s )αcot.K(D.Δ
HN ; de donde:
3
3
1
w
D
d
ctgK
HW
[tn]
Siendo:
W Peso de las piezas.
γ Peso específico del hormigón en masa. Unidades: [tn/m3].
Hd Altura de ola de diseño. Unidades [m].
KD Coeficiente de estabilidad Hudson. En función del tipo de pieza.
ctg α Talud de la protección.
γw Peso específico del agua de mar. Unidades: [tn/m3].
Los valores comúnmente admitidos de KD, se exponen en las tablas adjuntas:
Valores de la constante de estabilidad de Hudson según Shore Protection
Manual:
Figura 7: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (S.P.M.)
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Valores de la constante de estabilidad de Hudson según British Standard
Institution (BS 6349-7):
Figura 8: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (B.S.I.)
Otras referencias bibliográficas: “Conception et dimensionnement des digues à
talus1”:
Figura 9: Valores de la constante de estabilidad de Hudson (bibliografía especializada)
1 François Ropert, François Bouttes (1.997).Centre D´Etudes Techniques Maritimes et Fluviales.
3.1.2. FÓRMULA DE VAN DER MEER
Basada en los primeros trabajos de Thompson y Shutler en la década de los 70 (1975)
y en una serie muy amplia de ensayos con oleaje irregular realizados en Delft
Hydraulics, Van der Meer propone una serie de expresiones en un rango muy amplio
de elementos (escolleras, cubos, tetrápodos y acrópodos); composición del dique: todo
uno, filtro y manto; permeabilidades del manto en función de la misma; amplias
condiciones de clima marítimo representados por la altura de ola, el periodo y la
duración del temporal; formas de rotura (voluta o plunging y oscilación o surging);
número de Iribarren, taludes.
Todo ello ha conducido a una serie de expresiones totalmente adaptadas en la
actualidad por la comunidad científica internacional.
Con estos principios, Van der Meer propone sus expresiones en condiciones de
profundidad indefinida (offshore) y en aguas poco profundas, reducidas o someras
(shallow watter), con las restricciones propias de los ensayos y piezas analizadas.
Éstas son:
Escolleras:
;ξξ;)N
S.(P.20,6ξ.
D.Δ
Hc
20,018,0
50n
s Voluta o plunging
;ξξ;ξ.)N
S(αgcot.P.00,1
D.Δ
Hc
P20,013,0
50n
s Vaivén o surging
50,0P
1
31,0c )αtag.P.20,6(ξ ; Transición
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Cubos
10,0om30,0
40,0od
50n
ss s.00,1
N
N.70,6
D.Δ
HN
Tetrápodos:
20,0om25,0
50,0od
50n
ss s.85,0
N
N.75,3
D.Δ
HN
Acrópodos
50,2H;10,4H;70,3D.Δ
HN c0d0
50n
sαi0
Siendo:
Nod Número de unidades desplazadas, relacionadas con el índice de avería.
S Avería adimensional.
N Número de olas activas limitado en 7.500 olas cuando se estabiliza la avería.
En escollera se emplea el concepto de avería adimensional, “S”, para el estudio del
comportamiento del talud, siguiendo la tabla de la Figura 10, mientras que en piezas la
relación es con “Nod”, principio desarrollado por Broderick y cuyas relaciones se
exponen en la Figura 11:
TALUD INICIO DE AVERÍA DAÑO MODERADO FILTRO VISIBLE
cotg = 1,50 2,00 3,00 a 5,00 > 8,00
cotg = 2,00 2,00 4,00 a 6,00 > 8,00
cotg = 3,00 3,00 6,00 a 9,00 > 12,00
cotg = 4,00 y ss 3,00 8,00 a 12,00 > 17,00
Figura 10: Comportamiento de un talud de escollera en función de la avería adimensional de
Broderick
CRITERIO DE ESTABILIDAD DE BRODERICK, S Y Nod
PIEZA INICIO DE DAÑO DAÑO MODERADO FILTRO VISIBLE
ESCOLLERA 2,00 3,00 a 5,00 >8,00
CUBOS 0,00 0,50 a 1,50 2,00
TETRÁPODOS 0,00 0,50 a 1,00 1,50
ACRÓPODOS 0,00 -- 0,50
Figura 11: Comportamiento del manto sobre la base de “S” y “Nod”
P Permeabilidad teórica, mayor permeabilidad implica superior estabilidad.
0,10 Manto, filtro y capa impermeable.
0,40 Manto, filtro y todo uno
0,50 Manto núcleo de material suelto
0,60 Acumulación granular.
Figura 12: Criterio de permeabilidad teórica de Van Der Meer2
2 Fuente: Diseño de diques Rompeolas. D. Vicente Negro Valdecantos et al. Colegio de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos. Colección Seinor 28.
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γ Peso específico de pieza. Unidades: [tn/m3].
γw Peso específico del agua de mar. Unidades: [tn/m3].
Coeficiente relativo de pesos específicos
Dn50 Diámetro nominal medio. Unidades: m.
W50 Peso medio de la pieza Unidades: tn.
som Peralte adimensional:
2z
som
T.g
H.π.2s
g Aceleración de la gravedad. Unidades m/s2.
Tz Periodo ondulatorio. Unidades s.
ξ Número de Iribarren.
ξc Número de Iribarren de comparación.
3.1.3. FÓRMULA DE JOSÉ MARÍA BERENGUER Y ANTONIO BAONZA PARA PIEZAS PERFORADAS (CUBOS Y ANTIFER PERFORADOS)
Sobre la base de una serie de ensayos con bloques perforados (cubo perforado y
antifer perforado), dique con espaldón o sin él, y dos taludes cotg=1,50 y 2,00,
combinando series de altura de ola con tres periodos y duración de temporal mínima
equivalente de 3.000 olas, proponen una fórmula conjunta para la estimación central
representada por:
Tronco:
57,0ξ.14,3N 05,0pS
Siendo:
p5,0
sp T.H.π2
g.αtgξ
Morro:
50,0om
40,0maxS s.D.30,280,1N
Dada la dispersión de los resultados, se recomienda la aplicación determinística de la
fórmula anterior, asumiendo un nivel de no excedencia del 97,5 por ciento respecto a la
curva de inicio de avería con daños del 1%, proponiéndose:
50,0omS s.30,250,1N
3.2. RESULTADOS
3.2.1. TRONCO
Operando, según las formulaciones expuestas y los parámetros indicados, se obtiene:
VARIABLE VALOR
CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE
Altura de ola significante Hs [m] 9.5
Periodo pico Tp [s] 20
TALUD DEL DIQUE Pendiente del talud cotg 1.5
TIPO DE PIEZA Estabilidad Hudson Kd 7
DENSIDADES Densidad Antifer γs 2.35
Densidad agua γw 1.025
PARÁMETROS VAN DER
MEER
Número de olas Nz 1640
Nivel de daño Nod 0.5
FORMULACIÓN NS Dn50 [m] W [t]
HUDSON 2.19 3.36 88.83
VAN DER MEER 2.36 3.12 71.23
BERENGUER BAONZA 2.32 3.17 75.08
Figura 13: Resultados cálculo estructural para el tronco del dique
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Las fórmulas de Van der Meer y Berenguer Baonza aportan resultados homogéneos
respecto a la de Hudson. Considerando lo expuesto se adopta para el tronco Antifer
de 75 tn.
3.2.2. MORRO
Operando, según las formulaciones expuestas y los parámetros indicados, se obtiene:
VARIABLE VALOR
CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE
Altura de ola significante Hs [m] 8.5
Periodo pico Tp [s] 20
TALUD DEL DIQUE Pendiente del talud cotg 1.5
TIPO DE PIEZA Estabilidad Hudson Kd 5
DENSIDADES Densidad Antifer γs 2.35
Densidad agua γw 1.025
PARÁMETROS VAN DER
MEER
Número de olas Nz 1640
Nivel de daño Nod 0.5
FORMULACIÓN NS Dn50 [m] W [t]
HUDSON 1.96 3.36 89.08
VAN DER MEER 2.38 2.76 49.35
BERENGUER BAONZA 1.77 3.72 120.80
Figura 14: Resultados cálculo estructural para el morro del dique.
Las fórmulas empleadas presentan una notable heterogeneidad en sus resultados. No
parece razonable emplear piezas de menor peso en el morro que en el tronco (tal y
como resulta de la formulación de Van der Meer). Así mismo, parece excesivamente
conservador emplear piezas que prácticamente duplican el peso de las consideradas
en el tronco (formulación de Berenguer Baonza) por lo que se adoptan para el morro
bloques Antifer de 90 tn (tal y como resulta de aplicar la fórmula de Hudson).
4. CÁLCULO FUNCIONAL. REBASE
Otro de los aspectos a considerar en el diseño del dique de protección, al margen de su
respuesta estructural, es su comportamiento a nivel operativo. En este sentido, se
pretende evaluar el rebase que puede presentar el dique en unas condiciones
determinadas con el fin poder fijar las variables (cota de coronación fundamentalmente)
que lo determinan.
El rebase se analiza detalladamente en el anejo nº14 Ensayo en modelo físico que
describe pormenorizadamente las características y conclusiones de un ensayo en
modelo físico en el Instituto de Hidrodinámica Aplicada y complementado mediante un
estudio en modelo matemático con la herramienta IH2VOF.
En el presente apartado se exponen las tasas de rebase obtenidas. Para ello se han
realizado simulaciones con oleaje irregular y de duración 3.600 segundos.
Para el análisis del rebase se aplicaran las recomendaciones expuestas en el
EUROTOP WAVE OVERTOPPING OF SEA DEFENSES AND RELATED
STRUCTURES. En él se distinguen 4 tablas distintas según sujeto afectado por el
rebase.
Para hacer un análisis global del dique se estudiaran las principales secciones,
diferenciando entre la sección rebasable sin espaldón y la sección no rebasable con
espaldón.
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4.1. SECCIÓN SIN ESPALDÓN
En este apartado se analiza el rebase de la sección sin espaldón que se trata de la
sección 4. Para este caso cabe destacar que el dique es rebasable.
Figura 15: Sección sin espaldón (modelo)
El temporal propagado para el estudio del rebase se muestra a continuación:
Figura 16: Series de olas del temporal para la sección sin espaldón
El rebase acumulado alcanza un valor total de 200m3/m para el temporal estudiado.
Esto significa que la tasa de rebase es de 55,5 l/s/m, que siendo una tasa de rebase
alta no es preocupante debido a que se trata de una sección rebasable. Por lo tanto no
existe riesgo de pérdida de vidas humanas ni hay una disminución del nivel de servicio
del puerto.
Estos resultados se pueden ver en las siguientes figuras. En la primera, el rebase
acumulado, en la segunda, el rebase instantáneo y en la tercera, la velocidad media de
rebase.
Figura 17: Rebase acumulado para la sección 4
Figura 18: Rebase acumulado para la sección sin espaldón
Figura 19: Velocidad media de rebase para la sección sin espaldón
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4.2. SECCIÓN CON ESPALDÓN
En este apartado se tienen en cuenta tanto la sección 1 como la sección 2 al tener la
misma morfología de defensa respecto al oleaje. La única distinción entre ambas
secciones es que la primera no dispone de muelle adosado y la segunda sí. Entre las
dos secciones se cubre toda la longitud del dique de abrigo excepto los morros.
Figura 20: Sección con espaldón (modelo)
El temporal propagado para el estudio del rebase se muestra a continuación:
Figura 21: Series de olas del temporal para la sección con espaldón
El rebase acumulado alcanza un valor total de 32 m3/m para el temporal estudiado.
Esto significa que la tasa de rebase es de 8,8 l/s/m, que es peligrosa para los
peatones y no es peligrosa ni para vehículos ni para las edificaciones situadas en la
parte posterior del espaldón. Por lo tanto no existe riesgo de pérdida de vidas humanas
ni hay una disminución del nivel de servicio del puerto.
Estos resultados se pueden ver en las siguientes figuras. En la primera el rebase
acumulado, en la segunda el rebase instantáneo y la tercera la velocidad media de
rebase.
Figura 22: Rebase acumulado para la sección con espaldón
Figura 23: Rebase instantáneo para la sección con espaldón
Figura 24: Velocidad media de rebase para la sección con espaldón
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La tasa de rebase promedio son aceptables para todas las secciones estudiadas.
En la sección sin espaldón, al tratarse de una sección rebasable, los valores de rebase
existentes no son un problema, ya que no existe riesgo de pérdida de vidas humanas ni
existe una disminución del nivel de servicio del puerto.
En el análisis de la sección con espaldón, la tasa de rebase es muy reducida y
aplicando la valores recomendados por EUROTOP WAVE OVERTOPPING OF SEA
DEFENSES AND RELATED STRUCTURES vemos que la citada tasa solo es peligrosa
para los peatones. Cabe destacar que cuando se presenta el temporal de proyecto no
debe haber personas circulando por el muelle adosado al dique de abrigo. Por lo
demás, esta tasa de rebase no es peligrosa ni para los vehículos circulando a
reducidas velocidades ni para edificios situados en las inmediaciones de la obra de
protección.
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