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



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)



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)


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)


solución aproximada

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


th(kd)

dL< 120

⇒ kd = 2πLd < π

10⇒ th(kd) ≈ kd

ET = Ec + EP = ρg H2

8 J

m2

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥


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

π4Tg

2ccg ==


cg =c2

1+ 2 k dsinh 2 k d( )

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟


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

T π2ω =


8HgρE2

=

c = g T2 π

tanh ω 2 dg

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ω2 = gk tanh(kd)


ÍNDICE



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 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


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


•  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



MAR DE VIENTO

MAR DE FONDO


OLEAJE IRREGULAR


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


Predicción Europa Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje


Predicción Galicia Modelo WaweWatch (WW3) de predicción de oleaje Mallas detalle con SWAN


MÉTODO DE PREVISIÓN OLEAJE VIENTO: ROM 04.95

LF =ri

i=1

9

∑9

• Aguas profundas / Someras

• OTD / OPD


ÍNDICE



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:


0S HKH ⋅=

KS =Cg,0Cg


REFRACCIÓN

•  Variación del ángulo de incidencia del frente de ondas


Diferencias en celeridades provocan giro del frente (CA<CB)


Se produce una concentración de energía è cambios H

H = H0

b0

b= H0 ⋅ KR


b0

b

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN

1.  Métodos Numéricos

2.  Gráficamente : Tangente a circuferencia radio c·Δt


c·Δt

0R HKH ⋅=

αcosαcosK 0

R =

00 CC

αsinαsin =


MÉTODOS PARA DETERMINAR LA REFRACCIÓN

3.  Ley de Snell: Batiméticas rectas y paralelas

α0

α

DIFRACCIÓN

Expansión lateral en un bajo


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


OLEAJE


Cálculo simplificado: Ábacos Weigel en el SPM

K D =

Hd

Hi

Puerto de Barcelona


Oleaje Difracción

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

-  Pendiente del Lecho

REFLEXIÓN

Hincidente, Htransmitida

Eincidente, Etransmitida


K reflexión =

Hr

Hi

=Er

Ei

Fórmula unificada: Zanuttigh y Van der Meer (2006)

Análisis de 4 familias de datos (CEM)



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


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


Tipos de Rotura

Rotura en plunging/collapsing (voluta/colapso)

Rotura en spilling (descrestamiento / disipativa)

Rotura en surging (reflejante)


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)


ÍNDICE



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



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

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Tema 2.3. Oleaje