tema 2.3. oleaje

UNIVERSIDADE DA CORUÑA

OBRAS MARÍTIMAS

Y PORTUARIAS

TEMA 2. FORZADORES DEL OLEAJE

3. Oleaje de proyecto

Jose Anta Álvarez

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

ACCIONES DE DISEÑO EN INGENIERÍA MARÍTIMA Y PORTUARIA

§  Viento

§  Oleaje

§  Marea

§  Corrientes

ESFUERZOS GENERADORES

§ GRAVEDAD

§ VIENTO

Oleaje

Corrientes

Marea (meteorológica)

Corrientes

Corrientes

Marea (astronómica) Corrientes

INTRODUCCIÓN

ACCIÓN MÁS IMPORTANTE !!!

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)

INTRODUCCIÓN

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

d

L / T

x / t

Ha

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

ωt)cos(kx2Hωt)cos(kxaη −⋅=−⋅=

k = 2 πL

: número de onda; L=cT

c = LT= ωk

: celeridad o velocidad de fase

ω = 2 πT

: frecuencia angular

ω2 = gk tanh(kd)

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

ωt)cos(kx2Hωt)cos(kxaη −⋅=−⋅=

c

RELACIÓN DE DISPERSIÓN

c = LT= ωk;ω = 2π

T ( )dk tanhπ2Tgc =

π2Tgc =Aguas profundas (d > 0.5 L )

(ondas dispersivas C(T) )

c = g T2 π

tanh ω 2 dg

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ω2 = gk tanh(kd)

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

solución aproximada

c = f (d,T ) ≠ f (H )⇒ Importante en la generación y propagación del oleaje

SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE

th(kd)

dL> 12⇒ kd = 2π

Ld > π ⇒ th(kd) ≈1

c = LT= ωk;ω = 2π

T ( )dk tanhπ2Tgc =

π2Tgc =

d gc =

Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) )

Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d))

c = g T2 π

tanh ω 2 dg

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ω2 = gk tanh(kd)

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

solución aproximada

c = f (d,T ) ≠ f (H )⇒ Importante en la generación y propagación del oleaje

SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE

th(kd)

dL< 120

⇒ kd = 2πLd < π

10⇒ th(kd) ≈ kd

ET = Ec + EP = ρg H2

8 J

m2

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

La energía total del oleaje suma de Ec y EP

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: La energía del oleaje se propaga con distinta celeridad que la onda solitaria:

CELERIDAD DE GRUPO Cg

P = ECn

n = 12

1+ 2 k dsinh 2 k d( )

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎫

⎬⎪

⎭⎪Cg =Cn =

C2

1+ 2 k dsinh 2 k d( )

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) )

Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d)) dgccg ==

π4Tg

2ccg ==

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

cg =c2

1+ 2 k dsinh 2 k d( )

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

SOLUCIÓN SIMPLIFICADA PARA CASOS LÍMITE

d→∞⇒ sh(kd)→∞

d→ 0⇒ sh(2kd)→ 2kd

CELERIDAD DE GRUPO

L π2k =

TLc =

( )dk tanhπ2Tgc =

π2Tgc =

d gc = dgccg ==

π4Tg

2ccg ==

( )⎟⎟⎠⎞

⎜⎜⎝⎛ +=

dk 2sinhdk 21

2ccg

Aguas profundas (d > 0.5 L ) (ondas dispersivas C(T) )

Aguas someras (d < 0.05 L ) (ondas no dispersivas C(d))

T π2ω =

ωt)cos(kx2Hωt)cos(kxaη −⋅=−⋅=

8HgρE2

=

c = g T2 π

tanh ω 2 dg

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ω2 = gk tanh(kd)

TEORÍA LINEAL DEL OLEAJE

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

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

GENERACIÓN DEL OLEAJE

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

OLEAJE TOTALMENTE DESARROLLADO: -  crecimiento limitado por efectos

de rotura, fricción, … OLEAJE PARCIALMENTE DESARROLLADO

F

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO

GENERACIÓN DEL OLEAJE

•  Se da lejos de la zona de

generación

•  Suavizado de la lámina de

agua

•  Agrupamiento de energía

por ecuación de dispersión

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE: MAR DE FONDO

GENERACIÓN DEL OLEAJE

GENERACIÓN DEL OLEAJE

MAR DE VIENTO

MAR DE FONDO

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

LF =ri

i=1

9

∑9

• Aguas profundas / Someras

• OTD / OPD

GENERACIÓN DEL OLEAJE

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

El oleaje se ordena por frecuencias: DISPERSIÓN

•  Ondas solitarias con C

•  Grupo con Cg

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

Al acercarse a la costa la onda nota el fondo:

-  Someración

-  Refracción

-  Difracción

-  Rotura

-  Reflexión, …

Hd = H0KSKRKD ⋅⋅⋅

KS =

HH0

=Cg,0

Cg

SOMERACIÓN (SHOALING) •  Variación de la altura de ola al acercarnos a la orilla

•  Aplicando conservación del flujo de energía P:

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

0S HKH ⋅=

KS =Cg,0Cg

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

Se produce una concentración de energía è cambios H

H = H0

b0

b= H0 ⋅ KR

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

b0

b

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN

1.  Métodos Numéricos

2.  Gráficamente : Tangente a circuferencia radio c·Δt

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

c·Δt

0R HKH ⋅=

αcosαcosK 0

R =

00 CC

αsinαsin =

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN

3.  Ley de Snell: Batiméticas rectas y paralelas

α0

α

DIFRACCIÓN

Expansión lateral en un bajo

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

b0

b

Energia Tubo de Flujo:

b018H0

2ρgCg0 = b 18H 2ρgCg

b→ 0 ⇒ H →∞Analizamos un frente:

H

Expansión lateral del oleaje. Típicamente detrás de cabos o diques

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

OLEAJE

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

Cálculo simplificado: Ábacos Weigel en el SPM

K D =

Hd

Hi

Puerto de Barcelona

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

Oleaje Difracción

Importante para agitación en bocanas Estudios iniciales Miche (1951) -  Peralte

-  Pendiente del Lecho

REFLEXIÓN

Hincidente, Htransmitida

Eincidente, Etransmitida

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

K reflexión =

Hr

Hi

=Er

Ei

Fórmula unificada: Zanuttigh y Van der Meer (2006)

Análisis de 4 familias de datos (CEM)

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

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

ξ = mH

L≡ Parámetro Iribarren

0.4ξb <2ξ0.4 b <<

bξ2 <

Spilling

Plunging

Collapsing Surging

0.5ξo <3.3ξ0.5 o <<

oξ3.3 <

oξ5 <

Spilling

Plunging

Collapsing

Surging

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

Tipos de Rotura

Rotura en plunging/collapsing (voluta/colapso)

Rotura en spilling (descrestamiento / disipativa)

Rotura en surging (reflejante)

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

Criterios de rotura

0.78dHb

b =

(1979)Madsen 1.3m50.8ccL

dπ2tanh0.14LH

mmb

b

b

b ≤+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

irregular) (oleaje Kamphuis e0.56dH m 3.5

b

b ⋅=

0.14LHb

b = Rotura en profundidad

Rotura en la orilla (McCowan, 1891)

PROPAGACIÓN DEL OLEAJE

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 en la ROM 0.3 – 91 para:

1.  Conocer número horas año que estructura opera

2.  Conocer los esfuerzos máximos de diseño

Régimen medio

P H < HC[ ]

Solicitaciones medias

CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO

•  Caracterización “año medio”

•  Régimen de explotación (p.ej. rebase)

- Nº horas/año que es operativo

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

CARACTERIZACIÓN DEL OLEAJE A LARGO PLAZO

Régimen extremal

P Hmax,N < HC⎡⎣ ⎤⎦

Solicitación máxima en N años (vida útil)

Período de retorno (T años)

Riesgo admisible (E) à ROM 0.2-90

•  Análisis de la probabilidad de superación e

una acción a lo largo de la vida útil

Caracterización R. MEDIO y EXTREMAL en la

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

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

Régimen medio Buques en ruta

Ø  Rosa de oleaje de viento y de fondo Ø  Régimen medio direccional

Estaciones costeras

Ø  Régimen medio escalar

Régimen extremal Estaciones costeras

Ø  Régimen extremal escalar Ø  Corelaciones H / Tp en temporal Ø  Estructura espectral

IMPORTANTE:

ÍNDICE DE CONTENIDOS

ATLAS DEL OLEAJE

BOYAS EN AGUAS SOMERAS: Propagación inversa

Caracterización oleaje ROM 0.3.-91

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

13 boyas Seawatch 3 boyas Wavescan Hay disponible información climática !!

REDEXT

ATLAS DEL OLEAJE

§  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 !!

REDCOS

ATLAS DEL OLEAJE

ATLAS DEL OLEAJE