hugo donini diseño y construcción de obras de abrigo en talud
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talu
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Diseño y construcción de obras de abrigo en talud
Introducción al estudio de mareas, olas y transporte de sedimentos
Hugo Juan Donini Ingeniero Civil e Hidráulico
Investigador y Docente de las Cátedras de Puertos y Vías Navegables, Hormigón I, Hormigón II y Programación Básica y Métodos Numéricos de la Carrera de
Ingeniería Civil de la UNPSJB (Sede Trelew)
Miembro Plenario de la Asociación de Ingenieros Estructurales
Donini, Hugo Diseño y construcción de obras de abrigo en talud : introducción al estudio de mareas, olas y transporte de sedimentos / Hugo Donini. - 1a ed . - Ciudad Autónoma de Buenos Aires : Diseño, 2016. 344 p. ; 24 x 17 cm. ISBN 978-987-4000-51-4 1. Ingeniería Portuaria y Costera. 2. Construcción. 3. Transporte. I. Título. CDD 627.3
Hecho el depósito que marca la ley 11.723 Impreso en Argentina / Printed in Argentina La reproducción total o parcial de este libro, en cualquier forma que sea, idéntica o modificada, no autorizada por los editores, viola derechos reservados; cualquier utilización debe ser previamente solicitada. © 2016 de la edición, Diseño Editorial ISBN 978-987-4000-51-4 Julio de 2016 Este libro fue impreso bajo demanda, mediante tecnología digital Xerox en bibliográfika de Voros S. A. Bucarelli 1160, Capital. info@bibliografika.com / www.bibliografika.com En venta: LIBRERÍA TÉCNICA CP67 Florida 683 - Local 18 - C1005AAM Buenos Aires - Argentina Tel: 54 11 4314-6303 - Fax: 4314-7135 - E-mail: cp67@cp67.com - www.cp67.com FADU - Ciudad Universitaria Pabellón 3 - Planta Baja - C1428BFA Buenos Aires -Argentina Tel: 54 11 4786-7244 CMD - Centro Metropolitano de Diseño Algarrobo 1041 - C1273AEB Buenos Aires – Argentina Tel: 54 11 4126-2950, int. 3325
Índice 1
ÍNDICE
Índice ........................................................................................................................1
Agradecimientos .....................................................................................................7
Prólogo .....................................................................................................................8
Capítulo 1. Introducción .........................................................................................9
Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo ...............................................12
Obras de abrigo paralelas a la costa.......................................................................12
Obras de abrigo convergentes ................................................................................12
Obras de abrigo paralelas entre sí ..........................................................................13
Obras de abrigo en talud.........................................................................................14
Obras de abrigo verticales.......................................................................................14
Obras de abrigo mixtas ...........................................................................................15
Obras de abrigo sumergidas ...................................................................................16
Otras ........................................................................................................................17
Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo .............19
Criterios a seguir en la selección del tipo de obra de abrigo ..................................19
1) Características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de emplazamiento
de la obra.................................................................................................................20
a) Características físicas .........................................................................................20 Trazado....................................................................................................................22
b) Características hidráulicas ..................................................................................24
b.1) Modelaciones ...................................................................................................25
c) Características ambientales ................................................................................31
2) Materiales, equipos y mano de obra disponibles................................................33
3) Procedimientos constructivos .............................................................................35
4) Operación portuaria.............................................................................................36
Índice 2
5) El espacio litoral: aspectos sociales, culturales y turísticos................................38
6) Actividades asociadas al hinterland y foreland ...................................................39
Las obras y su incidencia en el espacio litoral ........................................................40
Capítulo 4. Mareas astronómicas ........................................................................42
Introducción .............................................................................................................42
Mareas astronómicas ..............................................................................................42
Edad de la marea ....................................................................................................46 Líneas cotidales y puntos anfidrómicos ..................................................................46 Mareas meteorológicas ...........................................................................................46 Régimen fluvio - marítimo........................................................................................47
Clases de mareas....................................................................................................47
Predicción de la marea............................................................................................49
Método de la Tabla A ..............................................................................................51
Capítulo 5. Teorías, generación y propagación de olas....................................55
Introducción .............................................................................................................55
Ondas ......................................................................................................................57
Principales teorías de olas ......................................................................................57
Teoría Lineal o de Airy [5] [32].....................................................................................58 Teoría Cnoidal .........................................................................................................74 Teoría de Onda Solitaria .........................................................................................78 Teoría de Onda Estacionaria ..................................................................................81 Teoría de Stokes [67].................................................................................................82
Ámbitos de aplicación de las teorías del oleaje ......................................................82
Generación y transformación de las olas ................................................................84
Decaimiento de las olas ..........................................................................................85
Métodos de predicción del oleaje............................................................................86
Refracción ...............................................................................................................91
Difracción.................................................................................................................94
Índice 3
Reflexión............................................................................................................... 100
Rotura de las olas................................................................................................. 101
Rotura de la ola sobre el talud de una estructura ................................................ 104
Capítulo 6. Transporte de sedimentos ............................................................. 108
Nociones de dinámica litoral ................................................................................ 108
Balance de sedimentos ........................................................................................ 113
Cuantificación de la capacidad de transporte sólido longshore........................... 115
Transporte paralelo a la costa (longshore transport) ........................................... 115
Parámetro de tasa de transporte (K).................................................................... 117
Expresión de Bailard (1984) [6] [33] ......................................................................... 117 Expresión de del Valle, Medina y Losada (1993) [29] [33]........................................ 117 Ecuación del Coastal Engineering Research Center (C.E.R.C.) [63]..................... 119
Velocidad de caída de los sedimentos................................................................. 123
Expresión aproximada de Hallermeier [39]............................................................. 125
Clasificación morfológica de las playas................................................................ 126
Predictores morfodinámicos................................................................................. 137
Parámetros que no incluyen la pendiente de la playa ......................................... 137 Parámetros que incluyen la pendiente de la playa .............................................. 137 Criterios de Kraus, Larson y Kriebel [50] ................................................................ 137 Parámetro de Dalrymple [19] .................................................................................. 140 Parámetro de Sunamura y Horikawa [68]............................................................... 141 Parámetro de Hattori y Kawamata [40]................................................................... 142 Parámetro de Sayao y Graham [62] ....................................................................... 142 Parámetro de Jiménez y Sánchez-Arcilla [47] [48] ................................................... 142
Perfil de equilibrio de las playas........................................................................... 145
Capítulo 7. Obras de abrigo en talud................................................................ 154
Introducción .......................................................................................................... 154
Ventajas de las obras de abrigo en talud............................................................. 155
Datos necesarios para el diseño de una obra de abrigo en talud........................ 156
Índice 4
Criterios de diseño................................................................................................ 158
Modos de falla típicos de una obra de abrigo en talud ........................................ 160
Interacción con el oleaje de una obra de abrigo en talud .................................... 161
Run-up en pendientes impermeables .................................................................. 162 Run-up en pendientes permeables ...................................................................... 165
Capítulo 8. Expresiones de cálculo más relevantes....................................... 170
Ecuación de Iribarren (1938, 1950, 1953, 1954 y 1965) [44] [45]............................. 170
Ecuación de Hudson (1958) (1959) (1974) [41] [42] [43] ............................................ 173
Coeficientes de capa K y porosidades P ............................................................ 176 Criterio de daño aplicado a la expresión de Hudson ........................................... 176
Ecuación de Van der Meer para corazas de rocas en condiciones de aguas
profundas (1987) [75].............................................................................................. 177
Nivel de daño S .................................................................................................... 180
Ecuaciones de Iribarren y Hudson en función del número de estabilidad ........... 181
Comparación de las expresiones de Hudson y Van der Meer............................. 181
Ecuación de Van der Meer para corazas de rocas en condiciones de de aguas
poco profundas según Van Gent et al. (2004) [77]................................................. 189
Ecuación de estabilidad considerando la permeabilidad del núcleo según Van Gent
et al. (2004) [77] ...................................................................................................... 193
Ámbito de aplicación de las ecuaciones de estabilidad para rocas..................... 194
Corazas con elementos premoldeados................................................................ 196
Cubos ................................................................................................................... 200 Tetrápodos ........................................................................................................... 200 Accropode........................................................................................................... 200 Ecopode.............................................................................................................. 205 Accropode II........................................................................................................ 205 Core-LocTM............................................................................................................ 206 X-bloc [26] ............................................................................................................. 207
Consideraciones referidas al cálculo de elementos premoldeados de hormigón [31]
.............................................................................................................................. 212
Índice 5
Capítulo 9. Diseño de la sección ...................................................................... 229
Obras de abrigo con coraza de rocas .................................................................. 229
Obras de abrigo con corazas de elementos premoldeados................................. 235
El extremo de la obra de abrigo como área crítica de diseño.............................. 235
Capítulo 10. Bermas y pies de filtro ................................................................. 245
Características y funciones .................................................................................. 245
Expresiones de cálculo......................................................................................... 247
Configuraciones típicas de pies de filtro............................................................... 250
Capítulo 11. Viaductos de hormigón armado.................................................. 254
Introducción .......................................................................................................... 254
Fuerzas actuantes sobre espaldones .................................................................. 255
Fuerzas generadas por el oleaje.......................................................................... 256 Acción de la coraza .............................................................................................. 259 Verificación al deslizamiento y el volcamiento ..................................................... 260
Capítulo 12. Recomendaciones en la construcción y uso de las obras de
abrigo en talud – experiencias en la Provincia del Chubut ........................... 264
Introducción .......................................................................................................... 264
Obras ejecutadas y proyectos de obras de abrigo en la provincia del Chubut.... 264
Conclusión Puerto de Comodoro Rivadavia – Iº Etapa........................................ 264 Remodelación Puerto Rawson – Iº Etapa ............................................................ 266 Defensas Costeras Rada Tilly .............................................................................. 269 Reparación del Muelle de Camarones ................................................................. 272 Dársena Deportiva en Punta Cuevas – Puerto Madryn ....................................... 273
Recomendaciones para la construcción de obras de abrigo en talud – algunas
experiencias en la Provincia del Chubut .............................................................. 275
Tareas previas...................................................................................................... 275 Rocas extraídas de cantera ................................................................................. 297 Elementos premoldeados de hormigón para coraza ........................................... 299 Pie de filtro............................................................................................................ 305 Aspectos constructivos de los viaductos de hormigón armado ........................... 305
Índice 6
Monitoreos e inspecciones................................................................................... 315 Etapa de uso ........................................................................................................ 317
Simbología .......................................................................................................... 320
Índice de tablas................................................................................................... 324
Índice de ejemplos ............................................................................................. 327
Referencias ......................................................................................................... 329
Agradecimientos 7
AGRADECIMIENTOS
Deseo expresar un especial agradecimiento al Ing. Ricardo del Valle, quien ha
efectuado importantes aportes a este libro y ha sido durante su vida un formador
de alumnos y profesionales en el área portuaria. Sin sus conceptos como profesor
y colega, este libro no hubiera sido posible.
También deseo agradecer al Coordinador General del Programa ROM Francisco
J. González Portal por el permiso de duplicación de los contenidos de la Norma
ROM 1.0-09 Recomendaciones de diseño y ejecución de obras de abrigo.
También al XBloc Manager y Senior Coastal Engineer Pieter Bakker, a las
autoridades del Department of the Army. U.S. Army Corps of Engineers, a la CIRIA
Editor Clare Drake, a J. W. Van der Meer por su importante material y a todos
aquellos que de una manera u otra colaboraron con este libro.
Por último, un agradecimiento especial a mi familia, por su paciencia y tiempo.
Prólogo 8
PRÓLOGO
El presente texto tiene como principal objetivo suplir la demanda de bibliografía
específica relacionada con obras de abrigo en talud, así como de contenidos
temáticos afines a la ingeniería portuaria. En él se exponen los conceptos teóricos
básicos del oleaje como principal parámetro que define su proyecto, así como las
ecuaciones que permiten calcular sus elementos constituyentes. En el texto se
trasladan algunas de las experiencias en obras de este tipo, acompañadas de una
serie de recomendaciones constructivas. Sus doce capítulos han sido ilustrados
con más de 200 figuras e imágenes, acompañadas de 50 tablas y 30 ejemplos de
aplicación de los conceptos desarrollados. Contó en su elaboración con aportes
del Ing. Ricardo del Valle, a quien tengo el honor y orgullo de acompañar en la
Cátedra de Puertos y Vías Navegables de la Universidad Nacional de la Patagonia
San Juan Bosco.
Es el deseo que este libro sea una contribución y un objeto de consulta para
aquellos a los que interesa la Ingeniería y comparten la pasión por el mar y las
obras marítimas.
Hugo Donini
Marzo de 2016
Obras de abrigo en talud 9
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
Una obra de abrigo tiene como principal objetivo el control de las variaciones del
nivel del mar de tal forma de generar áreas abrigadas que permitan efectuar las
operaciones portuarias previstas y con los niveles de seguridad requeridos. Una
obra de abrigo debe ofrecer:
Disminución de la agitación interior a valores admisibles, para el tipo de
operación proyectado.
Un recinto de dimensiones adecuadas.
Un ingreso seguro de los buques a través de su boca de acceso.
Asimismo, la obra de abrigo debe evitar alteraciones en el transporte de
sedimentos que afecten al puerto1, a otras zonas del espacio litoral, o bien, que
generen un costo de mantenimiento excesivo.
Las principales variaciones en el nivel del mar que deben considerarse en el
proyecto de una obra de abrigo son:
Ondas de corto período (olas generadas por el viento).
Ondas de mediano y largo período (seiches2 y mareas).
Ondas provocadas por fenómenos sísmicos.
Corrientes.
Efectos causados por la erosión y/o sedimentación costeras.
1 Lugar natural o construido en la costa o en las orillas de un río defendido de los vientos y
dispuesto para detenerse embarcaciones y para realizar las operaciones de carga y
descarga de mercancías, embarque y descargue de pasajeros. 2 Onda estacionaria generada en cuerpos de agua parcialmente limitados o encerrados y de
naturaleza resonante.
Capítulo 1. Introducción 10
De los fenómenos enumerados anteriormente, las olas resultan ser las más
nocivas por la elevada energía que poseen. Como uno de los tantos efectos de las
olas, su acción sobre un buque amarrado genera movimientos que limitan o
impiden las operaciones de carga y descarga y que también pueden afectar su
integridad.
Para iniciar el proyecto de un área de abrigo es necesario determinar las
características físicas de la zona de emplazamiento. Esto se logra mediante
relevamientos que deben brindar como mínimo, la siguiente información:
Olas:
a) Alturas, períodos y longitudes.
b) Direcciones correlacionadas.
c) Frecuencias correlacionadas.
Corrientes:
a) Intensidades.
b) Direcciones.
Mareas: niveles máximos, mínimos y medios.
Seiches: alturas y períodos.
Ondas por sismos: alturas y frecuencias.
Conformación del fondo: profundidades y pendientes.
Suelos:
a) Características físicas
b) Capacidad portante
Transporte de sedimentos (longshore y crosshore)
Área de emplazamiento:
a) Área de muelles.
b) Zona de maniobras.
c) Fondeaderos interiores.
Altura de ola admisible:
a) Tipo y tamaño del buque por mercadería que transporta.
b) Tipo de mercadería que transporta.
Obras de abrigo en talud 11
c) Modalidad de carga y descarga.
Disponibilidad de materiales constructivos.
Disponibilidad de instalaciones y equipos de construcción.
Características de la mano de obra necesaria y disponible.
En cuanto al diseño, todo proyecto de una estructura de abrigo (Figura 1)
responde, en general, a los lineamientos indicados en la Figura 2.
Figura 1: Representación 3D de las obras de abrigo pertenecientes al Proyecto de
Dársena Deportiva en Punta Cuevas, Puerto Madryn, Chubut
PLANTA SECCIÓN
PREDISEÑO DE ÁREAS ABRIGADAS
DEFINICIÓN DE LA OBRA FACTORES DE PROYECTO
Ubicación espacial
Intervalos de
tiempo
Criterios generales de
proyecto
Necesidades funcionales y
operativas
Medio físico
Hidráulica marítima
Materiales y equipos
constructivos
Figura 2: Generalidades en el diseño de una obra de abrigo
Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo 12
CAPÍTULO 2. CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS DE ABRIGO
Para poder comprender mejor los criterios de diseño y la construcción de las obras
de abrigo, es importante conocer inicialmente las tipologías existentes y su
clasificación. Según su disposición en planta, las obras de abrigo pueden
clasificarse en paralelas a la costa, convergentes o paralelas entre sí.
Obras de abrigo paralelas a la costa
Esta solución suele usarse en puertos exteriores ganados al mar, no muy lejanos a
la costa, o bien cuando no se disponga de terreno tierra adentro (Figura 3).
Pueden estar aisladas de la costa.
Figura 3: Disposición paralela a la costa de las obras de abrigo del Port 2000 Le
Havre [69]
Obras de abrigo convergentes
Este tipo de obra (Figura 4) es muy utilizado cuando se busca un calado
determinado para la boca de acceso. En este caso se las debe proyectar
correctamente para lograr suficiente área disponible, puesto que el puerto quedará
comprendido entre las obras.
Obras de abrigo en talud 13
Figura 4: Obras de protección convergentes (Obras de abrigo en Puerto Rawson -
Chubut)
Obras de abrigo paralelas entre sí
Se usa esta disposición en puertos creados a partir del avance sobre tierra o bien
en las desembocaduras de ríos navegables (Figura 5). Ofrecen inconvenientes,
como asolvamientos importantes, malas condiciones para la navegación y
penetración de la agitación cuando proviene en dirección de la boca de acceso.
Figura 5: Obras de protección paralelas entre sí (obras de abrigo en Puerto
Rawson - Chubut situación previa al año 2000)
Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo 14
Las obras de abrigo, de acuerdo a las características de su estructura y sección,
se pueden clasificar en obras en talud, verticales, mixtas y sumergidas, entre
otras.
Obras de abrigo en talud
Las obras de abrigo en talud (Figura 6) ofrecen grandes ventajas desde el punto
de vista constructivo, pocos peligros de averías y reparación relativamente fácil de
aquellas que se originen. En general, tienen bajas cotas de coronamiento, aunque
requieren la existencia de canteras en lugares próximos. En caso de no existir
disponibilidad de grandes tamaños de roca, es necesario utilizar elementos
premoldeados en las capas exteriores, lo cual hace que se incremente el costo y el
plazo de ejecución. Suelen también tener el inconveniente de restar superficie útil
a la zona abrigada por la extensión de sus taludes. Se utilizan comúnmente en
zonas poco profundas, con disponibilidad de materiales y posibilidades de
desarrollo de la obra sin obstrucción de la zona abrigada, ni necesidad de ser
usadas con fines de atraque de embarcaciones.
Figura 6: Sección típica de una obra en talud
Obras de abrigo verticales
El empleo de las obras de abrigo verticales es menos común que el anterior, por
las condiciones especiales de cimentación y profundidad que requieren, mayor a
Obras de abrigo en talud 15
dos veces la altura de ola de diseño para evitar que exista rotura, procurando que
esta última sea contra ellas. Es usual que se construyan con grandes cajones de
hormigón (Figura 7), que se llevan flotando hasta el sitio de colocación en donde
se hunden y se rellenan con rocas o arena. Tienen la ventaja de no requerir
canteras en las proximidades, y contar con relativa rapidez constructiva. Pueden
además utilizarse como sitios de atraque, pues presentan un paramento vertical;
aunque sus anchos no permiten que sobre el coronamiento se realicen
operaciones de carga general. También suelen hacerse con otro tipo de elementos
constructivos:
a) Bloques de hormigón simplemente yuxtapuestos.
b) Cilindros de hormigón armado.
c) Tablestacas planas de acero u hormigón.
d) Tablestacados de pared doble anclados o tablestacados apuntalados.
Figura 7: Sección típica de obras de abrigo con muros verticales
Obras de abrigo mixtas
Las obras de abrigo mixtas utilizan rocas en la base y un muro vertical sobre éstas
(Figura 8), y su uso se restringe a profundidades en donde se obliga a romper al
Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo 16
oleaje sobre el enrocamiento y la energía remanente se refleja con el muro
vertical.
Figura 8: Sección típica de un dique mixto
Obras de abrigo sumergidas
Las obras de abrigo sumergidas (Figura 9) son muy similares a las de talud
emergido aunque sin espaldón, puesto que a partir de un núcleo de todo uno de
cantera se construye una secuencia de mantos hasta alcanzar el exterior, el cual
se debe prolongar por el coronamiento y, dependiendo de su ancho, extenderse
por el manto de sotamar. La cota de coronamiento delimita el comportamiento de
la sección frente al rebase de las olas.
Figura 9: Sección típica de una obra de abrigo en talud sumergida
Obras de abrigo en talud 17
Otras
Existen otros tipos de estructuras (Figura 10) que no pertenecen a la clasificación
anterior, las cuales se mencionan a continuación:
1) Cribas: las estructuras de este tipo se construyen de madera o bien mediante
elementos de hormigón prefabricados, siendo fondeados algunos de sus
compartimentos. Los elementos de madera se los lleva flotando hasta su posición
y se los hunde mediante rocas colocadas en su interior. Aquellos elementos que
quedan en la superficie y por ende no llegan a la fundación, igualmente son
llenados con rocas para dar estabilidad al conjunto. La estructura es cubierta con
madera, hormigón, o rocas en el coronamiento. La madera utilizada en estas
estructuras debe ser tratada para protegerla de las condiciones propias que le
impone el ambiente marino.
2) Elementos neumáticos: la obra de abrigo neumática está compuesta por una
pantalla de burbujas generadas por la liberación de aire comprimido desde un
distribuidor sumergido. El ascenso de las burbujas genera una corriente vertical, la
cual a su vez produce corrientes horizontales sobre o cerca de la superficie del
agua en ambas direcciones; por ejemplo, en la dirección de procedencia de las
olas y en la opuesta. Cerca del fondo, las correspondientes corrientes fluyen hacia
la pantalla, completando el patrón de circulación. Las corrientes superficiales se
mueven contra la dirección de propagación de las olas, atenuando a las mismas;
sin embargo, este tipo de elemento sólo puede afectar parcialmente el efecto del
oleaje. Se vuelve más efectivo a medida que la relación H/L y la profundidad
relativa d/L aumentan (olas de corto período en aguas profundas).
3) Estructuras hidráulicas: este tipo de estructuras disipan la energía de las olas
mediante una corriente contraria a la incidente. Las corrientes son generadas por
flujos de agua generados a partir de un sistema distribuidor localizado sobre o
cercano a la superficie de la obra de abrigo. Este método es similar al descrito con
anterioridad. Por ende, las limitaciones prácticas son las mismas.
4) Faldón flotante: es una barrera física contra las olas que consiste en una
columna de placas o paneles. La distribución del peso es resistido en parte por el
empuje generado por el agua, y en parte por el fondo donde es asentado. Se
pueden realizar de diversos elementos y materiales, pero los más comunes son
los construidos con hormigón o acero. La atenuación del oleaje se logra por
reflexión y disipación turbulenta. Existen también otros diseños de estructuras
flotantes capaces de absorber o disipar la energía de las olas, como por ejemplo:
Capítulo 2. Clasificación de las obras de abrigo 18
a) Rectángulos sólidos de hormigón
b) Pontones dobles, de compartimentos abiertos, armazones en A, etc.
c) Plateas neumáticas o de troncos.
d) Obstáculos flotantes: esferas, troncos, etc.
Figura 10: Esquema ideal de obras de abrigo flotantes [32]
Figura 11: Ejemplo de una obra de abrigo flotante (fuente: MSI)
Obras de abrigo en talud 19
CAPÍTULO 3. ASPECTOS RELEVANTES EN EL DISEÑO DE UNA OBRA DE ABRIGO
Criterios a seguir en la selección del tipo de obra de abrigo
A continuación se expondrán algunos aspectos que pueden llegar a ser relevantes
en el diseño de una obra de abrigo. En primer lugar debe definirse el objeto de la
obra, cuáles son los requerimientos que deberá cumplir, cuáles son los resultados
que se desean obtener, cuál es el grado de aquietamiento buscado y si el mismo
ha de ser permanente o si se admite mayor agitación en forma transitoria. Esto
definirá a grandes rasgos las dimensiones, el funcionamiento, si podrá haber
sobrepaso o no y cuál será la vida útil de la estructura.
Las características que debe reunir el lugar de ubicación de la obra de protección
son particularmente importantes para la determinación del clima de oleaje. En
general los datos de olas están referidos a aguas profundas alejadas de la costa,
por lo que es necesario trasladarlos hasta la traza de la obra. Con respecto a las
alturas de las olas es necesario conocer la significativa H1/3, pero también resulta
útil y a veces necesario conocer la máxima Hmáx y también los valores de H1/10 y
H1/100. Otro aspecto importante es el análisis de la ubicación de la obra y de la
condición de rotura. Para este análisis también será necesario conocer la
pendiente de la playa. Mientras que las olas son en parte detenidas por una obra
de abrigo, las corrientes son desviadas y pueden ocasionar problemas en zonas
como la boca de acceso al puerto. En casos muy aislados se observa que las
corrientes sumadas a la acción de las olas pueden erosionar seriamente las bases
de la obra de protección en la boca de acceso.
La configuración de los suelos es otro aspecto importante a tener en cuenta,
especialmente en los muros verticales. Estas estructuras descansan sobre el
fondo, y si éste no es capaz de recibir las cargas transmitidas, pueden aplicarse
distintos métodos de mejoramiento.
Los problemas de transporte de sedimentos merecen una atención cuidadosa. Las
obras de protección suelen modificar el régimen hidrosedimentológico existente y
provocar así nuevas condiciones que pueden dar origen a la formación de nuevas
playas, embancamientos y erosiones. En una apreciable cantidad de obras, las
entradas a los puertos se han visto colmatadas de sedimentos, lo que obligó a
realizar modificaciones sucesivas en sus trazados. Para elegir el tipo de obra de
Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo 20
abrigo es necesario tener en cuenta varios aspectos. A continuación se hace
mención a algunos de los más importantes.
1) Las características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de
emplazamiento de la obra (topobatimetría, régimen de oleaje, mareas, transporte
de sedimentos, etc.).
2) Materiales, equipos y mano de obra disponibles.
3) Procedimientos constructivos asociados a las variantes tipológicas de la obra de
abrigo.
4) Operaciones portuarias.
5) El espacio litoral: aspectos sociales, culturales y turísticos.
6) Actividades asociadas al hinterland3 y foreland4.
1) Características físicas, hidráulicas y ambientales de la zona de emplazamiento de la obra
a) Características físicas
El suelo sobre el que se fundará la obra de abrigo es un aspecto relevante que
condiciona su diseño. Entre las variables que definen las propiedades de un suelo
están su tensión admisible, compresibilidad, módulo de Poisson, coeficiente de
balasto, resistencia a corte y su composición estratigráfica (roca, suelos
granulares, cohesivos, etc.). Es importante considerar además, la interacción entre
la superestructura y el suelo, puesto que las propiedades de éste pueden ser
modificadas según el tipo de obra de abrigo a construir en él. Por razones obvias,
los muros verticales no son aconsejables en suelos compresibles de baja
capacidad portante. En estos suelos y ante estas obras se generan asentamientos
diferenciales por concentraciones de cargas combinadas con la acción de las olas,
que requieren mayor superficie de fundación y una mejor distribución de las
presiones de contacto.
3 El hinterland suele hacer referencia a la zona emplazada detrás de un puerto, donde se
recogen las exportaciones y se distribuyen. 4 El foreland es el área complementaria de un puerto conectado a éste por barco, es decir,
al conjunto de áreas desde donde se atraen las importaciones y se distribuyen las
exportaciones.
Obras de abrigo en talud 21
La roca es un buen material para una fundación, sin importar la obra de abrigo que
se trate. Con los rellenos granulares también se obtienen buenos resultados,
aunque en el caso de suelos granulares sueltos se deberá prestar especial
atención a los fenómenos de licuefacción generada por acción de efectos
dinámicos asociados a los movimientos oscilatorios del mar. Asimismo, y para el
mismo caso, la presencia de agua intersticial puede ocasionar sobrepresiones que
varían las tensiones admisibles efectivas.
Para el caso de suelos cohesivos con baja permeabilidad y elevada
compresibilidad deben cuidarse las condiciones de drenaje, el historial de cargas
aplicadas, las presiones y su velocidad. Ante estos casos, las presiones
intersticiales pueden producir una disminución de la rigidez de los suelos.
Cada una de las posibles estructuras tiene una característica diferente en cuanto a
las cargas que deberán ser soportadas por el terreno. Esto debe tener especial
interés más aún considerando que es muy común encontrar en zonas costeras
suelos sueltos no consolidados o capas de depósitos de distinto origen con una
gran variación estratigráfica de la capacidad de absorber cargas. Cada estructura
tiene un comportamiento distinto, por lo que a continuación se analizarán los
casos.
Obras en talud
Esta estructura absorbe íntegramente la carga dinámica de las olas en las capas
de roca o elementos premoldeados del talud exterior, sin que tales acciones se
transmitan en gran medida al plano de fundación. Por lo tanto, la fundación sólo
debe soportar el peso propio de la obra, pero cabe acotar que el contacto entre la
obra y el suelo de fundación se materializa en las caras y aristas de las rocas o del
material granular que forma la parte inferior de la estructura. Ello significa que allí
se producirán concentraciones de carga y por ende de tensiones, de modo que si
el suelo no está en condiciones de soportarlas, se producirá una penetración de la
propia obra en el suelo existente. Por ello será necesario agregar material para
compensar las pérdidas por migraciones en la base. Este fenómeno puede afectar
severamente la obra cuando se funda sobre limos o arcillas blandas.
También deben tenerse en cuenta los problemas vinculados con la estabilidad del
talud asociada con fallas de deslizamiento del suelo de fundación. Cuando se
diseña en el coronamiento una obra continua de hormigón, un aspecto a
considerar es la posibilidad de asentamientos diferenciales a lo largo de la obra,
que se manifiestan luego en roturas y la aparición de discontinuidades en el
coronamiento.
Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo 22
Obras de paramento vertical
Estas obras funcionan como estructuras monolíticas, por lo que las cargas
dinámicas de las olas se traducen en fuerzas horizontales aplicadas en la cara
anterior, que a su vez provocan:
- Momento volcador.
- Fuerzas de deslizamiento.
- Tensiones transmitidas al suelo.
Las tensiones en la base son mayores que en las obras en talud y el suelo debe
absorberlas sin dar lugar a asentamientos totales o diferenciales que perjudiquen
su continuidad, por poseer una rigidez superior a las escolleras.
Obras mixtas
Para estas obras es válido lo indicado con anterioridad. La base de material suelto
debe estar en condiciones de absorber las tensiones generadas por el muro
vertical y transmitirlas a la fundación, la cual también absorberá el peso propio de
la base.
Trazado
Una vez definida el área portuaria y los espacios ordenados de acuerdo con sus
funciones, el trazado de la obra de protección debe evitar en la zona marítima los
efectos adversos que producen las acciones exteriores y lograr estados de poca
agitación del agua interior, compatibles con las operaciones portuarias previstas
en cada sector. En lo posible deben aprovecharse las condiciones naturales, no
sólo la presencia de islas o elevaciones naturales, sino también la configuración
del fondo, ya que la misma da lugar a fenómenos de refracción de las olas. Se
buscarán entonces las zonas donde al acercarse a la costa, la energía de las olas
tienda a reducirse por unidad de ancho de frente (Figura 12 b) y no aquellas otras
donde los rayos incidentes convergen y la energía se concentra sobre anchos de
frente menores (Figura 12 a). Por ello, la obra de protección puede tener una, dos
o varias ramas.
Es evidente que uno de los aspectos más complejos del diseño se refiere a la
dimensión y orientación de la boca de acceso. El diseño final dependerá de una
combinación adecuada entre la seguridad de la embarcación al ingreso y la
energía de las olas que penetran por esa boca. Para ambos debe tomarse la
circunstancia más favorable. El buque debe ingresar al puerto en forma rectilínea o
siguiendo una trayectoria curvilínea. En este último caso, existe la posibilidad de
Obras de abrigo en talud 23
una fuerte acción lateral de los vientos o corrientes que debe ser evaluada, lo cual
generará un ancho mayor del canal de acceso. La mayor facilidad la ofrece un
ingreso rectilíneo con vientos o acciones de proa o de popa. Pero
simultáneamente esto genera el ingreso de mayor energía de las olas.
Otro aspecto que puede condicionar la elección del tipo de obra de abrigo tiene
que ver con el área disponible para su localización. En general, las obras de
abrigo en talud ocupan mucho más espacio en planta que las verticales, en
especial, si las profundidades son elevadas. Aún los muros verticales requieren de
banquetas de nivelación, por lo que se encuentran limitados en casos de
reducidas áreas de emplazamiento.
Figura 12: Incidencia convergente y divergente de la dirección de las olas
(adaptado de [35])
Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo 24
b) Características hidráulicas
Resulta importante analizar el espectro incidente de olas a la hora de definir el tipo
de estructura a adoptar. Otro aspecto es el análisis de las variaciones estacionales
del clima de oleaje debido a las posibles complicaciones constructivas que se
pueden plantear en el transcurso de la obra. Una obra en talud tiene muy bajo
coeficiente de reflexión, ya que tiende a absorber la energía de las olas mediante
su propia opacidad y rugosidad superficial. Los muros verticales reflejan las olas y
provocan un aumento de la agitación con superposiciones de ondas y alturas de
olas mayores. Este último aspecto se torna peligroso en el caso que dichos
fenómenos se extiendan a las zonas de navegación o a canales de acceso al
puerto.
Un aspecto a considerar dentro de las características hidráulicas es la profundidad
(d) a pié de la obra de abrigo. Esta variable incide en la hidráulica marítima del
proyecto puesto que intervienen el régimen de mareas y las alturas de las olas.
Para profundidades elevadas, hasta los 70 m, es conveniente el uso de obras de
abrigo mixtas. Para profundidades intermedias (hasta los 40 m), es posible utilizar
muros verticales, y las obras en talud suelen adoptarse hasta los 30 m. Estas
profundidades son ciertamente aproximadas y dan un orden de valor a los efectos
de lograr estructuras óptimas desde el punto de vista económico, evitando grandes
volúmenes de material para alcanzar las cotas de proyecto. Los trazados de las
obras de abrigo muestran profundidades variables, por lo general inician su
trazado desde la costa para avanzar hacia mar adentro. En esta evaluación se
consideran las mayores profundidades, puesto que en ellas se suponen las
mayores solicitaciones y es por supuesto allí donde se alcanzan las máximas
dimensiones con el mayor volumen de material. Sin embargo, es necesario tener
en cuenta que los valores mínimos de profundidad pueden condicionar el diseño
de los pies de filtro o eventualmente, la de los elementos inferiores de la coraza.
Dentro del análisis y proyecto, la rotura de la ola tiene un estudio especial,
considerando que la forma de la misma difiere de acuerdo al tipo de obra elegida.
Cuando rompe, una ola causa fuerzas de importancia sobre la estructura,
generándose el colapso en su forma ondulatoria. Esto condiciona el diseño de la
obra de abrigo si ésta se emplaza o no en una zona de rompientes. Como es
sabido, una ola periódica que avanza sobre un fondo con pendiente se vuelve
inestable y rompe; la altura y la profundidad en esa condición son función de las
pendientes de la playa y de la relación entre su altura y la longitud de onda. Para
el caso de ondas solitarias en aguas de profundidad constante, el criterio de rotura
se basa en una relación sencilla, siendo la máxima altura de ola en la rompiente
Obras de abrigo en talud 25
de Hb = 0,78.d, según Mc Cowan. La ecuación anterior se ha utilizado para olas
periódicas en condiciones de profundidad constante, o cuando la pendiente de
fondo es pequeña y la relación entre la profundidad y la longitud de onda d/L < 0,1.
Existen numerosos nomogramas para el cálculo de la altura de la ola en la zona
de rompiente, de los cuales se destacan aquellos que toman en cuenta la altura de
rotura de diseño en función de un parámetro adimensional respecto de la
profundidad relativa de la estructura.
El comportamiento general de las obras de abrigo frente a los parámetros
hidráulicos dependerá de su geometría y de su relación con las características del
oleaje, en particular, de la rotura al pié y de su forma. La geometría a la que se
hace referencia, incluye tanto la disposición planimétrica como la de su sección.
b.1) Modelaciones
Para el diseño de obras portuarias es importante efectuar modelos de tipo
matemáticos y/o físicos en escala reducida (Figura 13). Sin embargo, dichos
modelos proveen resultados precisos si son alimentados mediante los datos de
campo que requieren, los que a su vez necesitan una adecuada tarea de
relevamientos y mediciones. Los programas y los modelos deben interpretar
correctamente los fenómenos que ocurren en el lugar. Así, por ejemplo, en los
modelos de agitación no es suficiente efectuar ensayos sólo con olas regulares,
sino que es necesario ensayar también olas de espectros irregulares. De igual
manera deben respetarse las variaciones en la dirección de las olas.
Figura 13. Modelo físico bidimensional a escala de una obra de abrigo en talud
Capítulo 3. Aspectos relevantes en el diseño de una obra de abrigo 26
Modelaciones físicas
Los modelos físicos permiten evaluar fenómenos reales como la propagación de
las olas y el transporte de sedimentos sin utilizar las simplificaciones que generan
los modelos matemáticos. Por otro lado, el modelo permite recabar información de
una manera más controlada ya que por su envergadura, resulta más acotado que
un prototipo. Como desventajas se pueden citar los efectos de escala y la
simplicidad de omitir algunos fenómenos como la interacción de las olas con el
viento u otras fuerzas que pueden variar los resultados.
Criterios de semejanza
Existen tres criterios de semejanza para lograr una correspondencia entre los
resultados del modelo con los del prototipo.
Semejanza geométrica
La semejanza geométrica se logra cuando las dimensiones del modelo son
proporcionales a las dimensiones del prototipo. Algunos modelos requieren
generar una distorsión geométrica, la cual consiste en utilizar una escala diferente
para las medidas horizontales respecto de las verticales. Ello es usual cuando se
modelan grandes superficies de agua. La escala de longitudes nL de un modelo
está dada por la ecuación (1). La semejanza geométrica se cumplirá cuando todas
las longitudes del modelo conserven la misma proporción nL con el prototipo.
nL = Lm / Lp (1)
donde:
L = longitud (horizontal o vertical)
m y p = modelo y prototipo, respectivamente.
Semejanza cinemática
Para lograr que el movimiento y las trayectorias de las partículas sean
proporcionales a las del prototipo es necesario generar la semejanza cinemática.
Para ello, se define la escala de aceleración na, de velocidad nv y de tiempo nt.
Obras de abrigo en talud 27
na = am / ap (2)
nv = vm / vp (3)
nt = tm / tp (4)
Para que se verifique la semejanza cinemática, deben satisfacerse las siguientes
relaciones:
nv = na . nt (5)
nL = nv . nt (6)
En general, como la aceleración de la gravedad no varía, se adopta na = 1, por lo
que se fija la escala de longitudes nL. De la ecuación (6), se obtiene:
nt = nL / nv (7)
Si se multiplica por na = 1:
nt = na . nL / nv (8)
De la ecuación (5):
nt = nv / na (9)
Igualando a (8) con (9):
nt = nv / na = na . nL / nv (10)
nv2 = na . nL nv = nL
0,5 (11)
nt = nL / nv = nL / nL0,5 nt = nL
0,5 (12)
Semejanza dinámica
Para generar la semejanza dinámica, es necesario lograr la proporción entre la
masa y las fuerzas que actúan sobre las partículas de agua del modelo y el
prototipo. Deben cumplirse además las semejanzas cinemática y geométrica. Sin
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