OBRAS MARÍTIMAS Y PORTUARIAS TEMA 2. FORZADORES DEL OLEAJE 3. Oleaje de proyecto Jose Anta Álvarez UNIVERSIDADE DA CORUÑA ESCOLA TÉCNICA SUPERIOR DE ENX. CAMIÑOS, CANLES E PORTOS INTRODUCCIÓN OBJETIVOS: • Presentar la necesidad de una correcta definición del oleaje de proyecto • Estudio del proceso de generación de oleaje • Descripción del oleaje a través de la teoría lineal de Airy • Propagación del oleaje: procesos de someración, refracción y difracción • Análisis estadístico del oleaje BIBLIOGRAFÍA DEL CAPÍTULO: • Programa ROM. Recomendaciones para Obras Marítimas. Puertos del Estado. http://www.puertos.es/programa_rom/index.html • Introduction to Coastal Engineering and Managament. Kamphuis, J.W. (2000). World Scientific • Beach Processes and Sedimentation. Komar, P.D (1998). Prentice-Hall ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL INTRODUCCIÓN ACCIONES DE DISEÑO EN INGENIERÍA MARÍTIMA Y PORTUARIA § Viento § Oleaje ACCIÓN MÁS IMPORTANTE !!! § Marea § Corrientes ESFUERZOS GENERADORES §GRAVEDAD Marea (astronómica) Corrientes Corrientes §VIENTO Marea (meteorológica) Oleaje Corrientes Corrientes INTRODUCCIÓN Diferentes fuentes generación: diferentes T INTRODUCCIÓN Ondas Progresivas vs Onda Estacionaria Descripción matemática del oleaje compleja: • Teoría lineal del oleaje • Teorías de orde superior (Kamphuis, 2000; ROM 1.0-09; Documentos de referencia GIOC) ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE H η = a ⋅ cos(kx − ωt) = ⋅ cos(kx − ωt) 2 L/T x/t a H d TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE η = a ⋅ cos(kx − ωt) = H ⋅ cos(kx − ωt) 2 k= 2π : número de onda; L=cT L ω= 2π : frecuencia angular T c= L ω = : celeridad o velocidad de fase T k ω 2 = gk tanh(kd) c RELACIÓN DE DISPERSIÓN TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c= L ω 2π = ;ω = T k T ω 2 = gk tanh(kd) c = f (d,T ) ≠ f (H ) ⇒ gT c= tanh ( k d ) 2π c= ⎛ gT d⎞ tanh ⎜ ω 2 ⎟ ⎝ 2π g⎠ solución aproximada Importante en la generación y propagación del oleaje SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) gT c= 2π d 1 2π > ⇒ kd = d > π ⇒ th(kd) ≈ 1 L 2 L th(kd) TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c= L ω 2π = ;ω = T k T ω 2 = gk tanh(kd) c = f (d,T ) ≠ f (H ) ⇒ gT c= tanh ( k d ) 2π c= ⎛ gT d⎞ tanh ⎜ ω 2 ⎟ ⎝ 2π g⎠ solución aproximada Importante en la generación y propagación del oleaje SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE th(kd) Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) gT c= 2π c= gd d 1 2π π < ⇒ kd = d < ⇒ th(kd) ≈ kd L 20 L 10 TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE La energía total del oleaje suma de Ec y EP E T = Ec + E P H2 ⎡ J ⎤ = ρg 8 ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ densidad de energía : integrada en una longitud de onda Al prograrse el oleaje, H cambia y la densidad de energía también Lo que no se modifica es el flujo o ratio en la que energía se propaga: ⎫ ⎛ ⎞ ⎪ C 2 k d 1⎛ 2 k d ⎞ ⎬ C g = Cn = ⎜ 1+ ⎟ n = ⎜ 1+ 2 ⎝ sinh 2 k d ⎠ ⎟⎪ 2 ⎝ sinh 2 k d ⎠ ⎭ P = ECn ( ) ( ) La energía del oleaje se propaga con distinta celeridad que la onda solitaria: CELERIDAD DE GRUPO Cg TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE c⎛ 2kd ⎞ cg = ⎜ 1+ 2 ⎝ sinh ( 2 k d ) ⎟⎠ CELERIDAD DE GRUPO SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE d → ∞ ⇒ sh(kd) → ∞ Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) cg = c gT = 2 4π cg = c = g d d → 0 ⇒ sh(2kd) → 2kd TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE L c= T k= 2π L η = a ⋅ cos(kx − ωt) = ω 2 = gk tanh(kd) ⎛ gT d⎞ c= tanh ⎜ ω 2 ⎟ ⎝ 2π g⎠ Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) ) Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) c= gT tanh ( k d ) 2π ω= 2π T H ⋅ cos(kx − ωt) 2 H2 E = ρg 8 c⎛ 2kd ⎞ cg = ⎜⎜1 + ⎟ 2 ⎝ sinh (2 k d ) ⎟⎠ gT c= 2π c gT cg = = 2 4π c= gd cg = c = g d ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL GENERACIÓN DEL OLEAJE TIPOS DE OLEAJE • Oleaje en Aguas Profundas / Aguas Someras • Oleaje de viento (Sea) / Oleaje de Fondo (Swell) • Oleaje Regular (monocromático) / Oleaje Irregular GENERACIÓN DEL OLEAJE ESTADO DEL MAR Combinación de dos problemas de distinta naturaleza: – Generación: El viento local hace crecer las olas. ‘Mar de viento’ – Propagación: Las ondas abandonan su región de nacimiento. ‘Mar de fondo’ GENERACIÓN DEL OLEAJE GENERACIÓN OLEAJE: MAR DE VIENTO Transferencia de energía atmósfera océano: ondas de capilaridad (1 cm) En la segunda fase la altura de onda crece por efecto de subpresión / sobrepresión en el valle/ cresta de la ola GENERACIÓN DEL OLEAJE Crecimiento gobernado por: • FETCH • INTENSIDAD DE VIENTO • DURACIÓN F OLEAJE TOTALMENTE DESARROLLADO: - crecimiento limitado por efectos de rotura, fricción, … OLEAJE PARCIALMENTE DESARROLLADO GENERACIÓN DEL OLEAJE PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO • Se da lejos de la zona de generación • Suavizado de la lámina de agua • Agrupamiento de energía por ecuación de dispersión GENERACIÓN DEL OLEAJE PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO GENERACIÓN DEL OLEAJE MAR DE VIENTO MAR DE FONDO GENERACIÓN DEL OLEAJE GENERACIÓN DEL OLEAJE OLEAJE IRREGULAR GENERACIÓN DEL OLEAJE MODELOS DE PREVISIÓN DEL OLEAJE La altura de ola (H) y su periodo (T) dependen: • Velocidad del viento • Duración (D), tiempo que sopla el viento • FETCH, distancia sobre la que sopla el viento MODELOS PARAMÉTRICOS / ESPECTRALES GENERACIÓN DEL OLEAJE Predicción Europa Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje GENERACIÓN DEL OLEAJE Predicción Galicia Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje Mallas detalle con SWAN GENERACIÓN DEL OLEAJE MÉTODO DE PREVISIÓN OLEAJE VIENTO: ROM 04.95 9 •Aguas profundas / Someras •OTD / OPD LF = ∑r i =1 9 i ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL PROPAGACIÓN DEL OLEAJE El oleaje se ordena por frecuencias: DISPERSIÓN • Ondas solitarias con C • Grupo con Cg Al acercarse a la costa la onda nota el fondo: - Someración - Refracción - Difracción - Rotura - Reflexión, … H d = H 0 K S K R K D ⋅⋅⋅ PROPAGACIÓN DEL OLEAJE SOMERACIÓN (SHOALING) • Variación de la altura de ola al acercarnos a la orilla • Aplicando conservación del flujo de energía P: Cg,0 H KS = = H0 Cg PROPAGACIÓN DEL OLEAJE H = KS ⋅ H0 KS = Cg,0 Cg PROPAGACIÓN DEL OLEAJE REFRACCIÓN • Variación del ángulo de incidencia del frente de ondas PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Diferencias en celeridades provocan giro del frente (CA<CB) PROPAGACIÓN DEL OLEAJE b0 b Se produce una concentración de energía è cambios H H = H0 b0 = H0 ⋅ KR b PROPAGACIÓN DEL OLEAJE MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN 1. Métodos Numéricos 2. Gráficamente : Tangente a circuferencia radio c·Δt c·Δt PROPAGACIÓN DEL OLEAJE MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN 3. Ley de Snell: Batiméticas rectas y paralelas H = K R ⋅ H0 cos α 0 KR = cos α α sin α C = sin α 0 C 0 α0 PROPAGACIÓN DEL OLEAJE DIFRACCIÓN Expansión lateral en un bajo b0 b Energia Tubo de Flujo: 1 2 1 2 b 0 H 0 ρ gCg0 = b H ρ gCg 8 8 b→0⇒H →∞ Analizamos un frente: H PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Expansión lateral del oleaje. Típicamente detrás de cabos o diques OLEAJE PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Cálculo simplificado: Ábacos Weigel en el SPM KD = Hd Hi PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Puerto de Barcelona Oleaje Difracción PROPAGACIÓN DEL OLEAJE REFLEXIÓN K reflexión = Hr = Hi Er Ei Hincidente, Htransmitida Eincidente, Etransmitida Importante para agitación en bocanas Estudios iniciales Miche (1951) - Peralte - Pendiente del Lecho PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Fórmula unificada: Zanuttigh y Van der Meer (2006) Análisis de 4 familias de datos (CEM) PROPAGACIÓN DEL OLEAJE ROTURA DEL OLEAJE La teoría de Airy no se cumple en rotura Importante conocer la rotura • Dinámica litoral : disipación energía, tte sedimentos • Estructuras costeras: tipo rotura influye en estabilidad PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Tipos de Rotura (Tema 1) Pendiente suvae, rotura gradual “en tubo”, oclusión aire Mucha pendiente, rotura brusca Rotura reflejante, en oscilación La pendiente es tan elevada que no hay rotura PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Tipos de Rotura m ξ= H ≡ Parámetro Iribarren L ξ b < 0.4 0.4 < ξ b < 2 2 < ξb ξ o < 0.5 0.5 < ξ o < 3.3 3.3 < ξ o 5 < ξo Spilling Plunging Collapsing Surging Spilling Plunging Collapsing Surging PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Rotura en plunging/collapsing (voluta/colapso) Rotura en spilling (descrestamiento / disipativa) Rotura en surging (reflejante) PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Criterios de rotura Hb = 0.14 Lb Rotura en profundidad Hb = 0.78 db Rotura en la orilla (McCowan, 1891) Hb = 0.56 ⋅ e3.5 m db Kamphuis (oleaje irregular) ⎛ 2 π db ⎞ Hb = 0.14 tanh ⎜⎜ ⋅ c m ⎟⎟ Lb ⎝ Lb ⎠ c m = 0.8 + 5 m ≤ 1.3 Madsen(1979) ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO Caracterización del oleaje a largo plazo en la ROM 0.3 – 91 para: 1. Conocer número horas año que estructura opera 2. Conocer los esfuerzos máximos de diseño Régimen medio • Caracterización “año medio” • Régimen de explotación (p.ej. rebase) Solicitaciones medias P [H < HC ] - Nº horas/año que es operativo CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO Caracterización del oleaje a largo plazo en la ROM 0.3 – 91 para: 1. Conocer número horas año que estructura opera 2. Conocer los esfuerzos máximos de diseño Régimen extremal Solicitación máxima en N años (vida útil) • Análisis de la probabilidad de superación e una acción a lo largo de la vida útil Caracterización R. MEDIO y EXTREMAL en la P ⎡⎣ H max,N < H C ⎤⎦ Período de retorno (T años) Riesgo admisible (E) à ROM 0.2-90 ROM / puertos del estado !!! ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE 3. GENERACIÓN DEL OLEAJE 4. PROPAGACIÓN DEL OLEAJE 5. DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO 6. ATLAS DEL CLIMA MARÍTIMO EN EL LITORAL ESPAÑOL ATLAS DEL OLEAJE DATOS DE PARTIDA: ATLAS DEL LITORAL ROM 0.3-91 -Registros instrumentales: Boyas costeras -Observaciones desde buques en ruta: Realizadas por un experto Sesgada y subjetiva Útiles por la direccionalidad ATLAS DEL OLEAJE Zonificación 10 áreas En la actualidad hay más información disponible en las redes de medidad de Puertos del Estado www.puertos.es ATLAS DEL OLEAJE ÍNDICE DE CONTENIDOS Régimen medio Régimen extremal Buques en ruta Estaciones costeras Ø Rosa de oleaje de viento y de fondo Ø Régimen medio direccional Estaciones costeras Ø Régimen extremal escalar Ø Corelaciones H / Tp en temporal Ø Estructura espectral Ø Régimen medio escalar IMPORTANTE: BOYAS EN AGUAS SOMERAS: Propagación inversa Caracterización oleaje ROM 0.3.-91 ATLAS DEL OLEAJE Rosas de oleaje ROM 0.3.-91 Observaciones visuales desde buques en ruta Hv à Aguas profundas ATLAS DEL OLEAJE Régimen medio ROM 0.3.-91 Direccional Hv à Aguas profundas Escalar Hs à Aguas poco prfundas ATLAS DEL OLEAJE Régimen medio ROM 0.3.-91 Escalar ATLAS DEL OLEAJE Régimen extremal ROM 0.3.-91 Hs à Aguas poco prfundas ATLAS DEL OLEAJE PROPAGACIÓN INVERSA ATLAS DEL OLEAJE BANCO DE DATOS DE PUERTOS DEL ESTADO Redes de datos Datos experimentales § REDEXT (exterior, antigua RAYO, EMOD) § REDCOS (costera, antigua REMRO) § REDMAR (mareógrafos) § REMPOR (meteorología) Datos numéricos § WANA (predicción nacional, viento, oleaje) § WASA (predicción europea, viento, oleaje) § SIMAR-44 (incluye marea metereológica) ATLAS DEL OLEAJE REDEXT 13 boyas Seawatch 3 boyas Wavescan Hay disponible información climática !! ATLAS DEL OLEAJE REDCOS § Complementa las medidas de la red exterior en lugares de especial interés para las actividades portuarias o la validación de modelos de oleaje § Profundidades < 100m § Boyas escalares Waverider (red REMRO) § Boyas direccionales Triaxys Hay disponible información climática !! ATLAS DEL OLEAJE
