Diseño Rompeolas De Piedra

SUBTEMA: DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE INFRAESTRUCTURA PORTUARIA

SOLUCION A ESTUDIO DE CASO 1: DISEÑO DE ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Teoría del modelo de rompiente de la ola según el Dr. Goda

DISEÑO DE ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Las estructuras de rompeolas de piedra y de tipo compuesto juegan un papel preponderante para el buen funcionamiento de un puerto. Las técnicas necesarias para diseñar este tipo de estructuras se basan aquí en la teoría del modelo de rompiente del Dr. Goda, la cual es utilizada actualmente por los expertos japoneses ya que presenta ventajas de tipo práctico, por la utilización de gráficas que permiten de manera eficiente el diseño de las estructuras.

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS

ROMPIENTE DE LA OLA. En el lugar donde la profundidad es menor que tres veces la altura de ola equivalente en aguas profundas, se debe considerar la deformación de la altura de ola por rompiente. Para estimar la deformación de la altura de ola, normalmente se toma en consideración la irregularidad del oleaje. La deformación de la altura de ola por rompiente se calcula con las figs. 1.1(a) a (e) y 1.2(a) a (e). Estas figuras consideran la teoría del modelo de rompiente de la ola según el Dr. Goda.

,minB0(hó/LL K H 01,.2B)máxHóKsó(h/00.2) sH ´1/3 o o

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS

La fig. 1.1 es para estimar la altura de ola significante en la zona de rompientes y la fig. 1.2 es para estimar la altura de ola máxima en la zona de rompiente.

Para estimar la altura de ola significante (H 1/3) y la altura de ola máxima (Hmáx.) se puede usar el método de cálculo aproximado como sigue:

B0.28(H/L)e

1 . 5  0 . 3 8 ( 2 0 t a n  ) 0B ó o .1máx5m  0 2áex4.20ta.n92,0.32H .L  0 2 9 2.4tan óo ,e

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS Donde:

El valor de Ks se da con la fig. 1.3. En las fórmulas anteriores min{ } y máx{ } significan el valor mínimo y el valor máximo en el paréntesis respectivamente y tanө es la pendiente del fondo.

H 1x0.m653ám .2eix8nHp1Kó6sB.H5L8,óoót0a,n0.33h81ehHLxopó,2LB00om.á2txa0Hn.29óe,x11.p5.82K.4sHtaón,hLo0.2 áB x1omá m

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS

La altura de ola máxima en la zona de rompiente se da como sigue:

donde:

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS Ejemplo de cálculo de la deformación por rompiente en casos de costas simples: Supóngase que hay una costa con curvas batimétricas rectas y paralelas a la costa. La pendiente del fondo de la costa será 1/100. En la planeación se considera una estructura del puerto en el lugar de 12 m de profundidad. La altura y periodo de la ola estimada en aguas profundas son: Ho = 10 m To = 12 seg Smáx= 10 (wind wave)

g 2 L  T  2 5 m o o 2  hoK 1 .r5K 0 3r S0.94max10y(p)o00,

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS

En este caso, la altura de ola significante y de ola máxima (es decir, las olas de diseño) se calculan como sigue:

Con la fig. 1.4, en caso de de es:

el valor

HHLóóK0.r42o,9.4mHhó1.28

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS

Podemos pensar que no ocurre la difracción antes de la llegada del oleaje a la estructura. Así, la altura de ola equivalente de la ola en aguas profundas (Hó) es:

Los valores de la relación de esbeltez de la ola (Hó/Lo) y la profundidad relativa a la altura equivalente de la ola en aguas profundas (h/Hó) son:

H 1 3 ó H 1 3 .H  0 7 6 ó HmáHx1m3oáx0.706.9894479.1.21mm

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS El valor

se estima con la fig. 1.1 (e) como sigue:

Por lo tanto, la ola significante en el lugar de diseño será:

El valor de

se estima con la fig. 1.2 (d) como sigue:

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS Supóngase que se tiene el rompeolas de la figura siguiente: DIRECCION DEL OLEAJE -15.0 -5.0

-10.0 30º 25º 20º

Calcular las alturas de ola para las profundidades de -5 m, -10 m y -15 m, en las condiciones indicadas.

g 2 2 2 L .L  T  1 5 6 T  1 . 5 6 ( 3 )  2 6 3 . 4 m o o 2  hho0  0 9 ; K 0 . 9 r 6 3 4 0 .2635.4013879;K   5 r0 .94

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS Datos: H0 T N.P.S. Pendiente Smáx

=8m = 13 seg. = + 1.0 m = 1/ 50 = 25

(Fig. No. 1.4)

OLEAJE DE DISEÑO PARA CADA SECCION DEL ROMPEOLAS *EL VALOR DE Kr SE OBTIENE CON LA FIG. 1.4 h (m)

Kr

Ho

Hó= Kr Ho

15

0.93

8

7.44

10

0.95

8

7.60

5

0.94

8

7.52

CONSIDERANDO QUE EL NPS= +1.0 m h (m)

Ló

Hó/Ló

h/Hó

16

263.64

0.0282

2.151

11

263.64

0.0288

1.447

6

263.64

0.0285

0.798

CALCULO DE H1/3 y Hmáx (H1/3 / Hó se estima con la fig. 1.1 (e) y Hmáx / Hó se estima con la fig. 1.2 (d)). h (m) H1/3 / Hó

H1/3

Hmáx / Hó

Hmáx

16

1.02

7.59

1.52

11.31

11

0.84

6.38

1.10

8.36

6

0.48

3.61

0.65

4.88

DISEÑO DE LA SECCION TRANSVERSAL DE LA ESTRUCTURA: ALTURA Y ANCHO DE LA CORONA La estructura de elementos sueltos normalmente se compone con faldón o delantal como base, núcleo, capa secundaria y coraza de piedras grandes o elementos artificiales de concreto (elementos prefabricados). Una sección típica transversal de la estructura se presenta en las figs. 2.1 y 2.2. La fig. 2.1 es la sección del rompeolas que permite poco overtopping. La altura de la corona de esta sección normalmente se diseña para permitir poco overtopping por tormenta o temporal de largo periodo de retorno. La fig. 2.2 es la sección del rompeolas que se expone a la acción constante del oleaje en ambos lados como es el caso de un espigón. En este caso se permitirá el overtopping más frecuente.

ALTURA Y ANCHO DE LA CORONA El overtopping en una estructura de elementos sueltos como rompeolas o espigón normalmente se tolera, si no causa el oleaje efectos perjudiciales al lado interior de la estructura. El overtopping ocurre por el alcance del oleaje. El alcance depende de las características del oleaje, la pendiente de la estructura, porosidad y aspereza de la coraza como se ha dicho anteriormente. La altura de la corona que se elija debe ser la mínima que trabaje con eficiencia. El overtopping excesivo en el rompeolas o espigón causa agitación detrás del rompeolas y será perjudicial a operaciones del puerto como atraque del barco, carga y descarga. El overtopping en diques o revestimientos causa seria erosión detrás de estas estructuras. El overtopping del espigón se tolera, si no afecta al canal.

BW 

W W K B   K   r  1 3 B  B  r ALTURA Y ANCHO DE LA CORONA

El ancho mínimo de la corona en el caso que se tolere poco overtopping, se da con la siguiente fórmula:

donde: Ancho de la corona (m). Número de elementos. Coeficiente de capa. Peso de los elementos en la coraza (ton). Peso específico de los elementos de la coraza (t/m3).

Además, la corona debe ser del ancho suficiente para la operación de los equipos de construcción y mantenimiento.

 W W   er  K

1 3 rW r  r e r

ESPESOR DE LA CORAZA Y NUMERO DE ELEMENTOS

Se puede determinar el espesor de la coraza y el número de elementos con la siguiente fórmula:

donde:

Espesor promedio de la coraza (m).

Número de capas de los elementos de la coraza. Peso de cada elemento (ton).

Peso específico del material (ton/m3).

N p A  p 0W    1 

2 3 r r r  N  r A  p

ESPESOR DE LA CORAZA Y NUMERO DE ELEMENTOS La densidad de colocación se da con la siguiente fórmula:

Donde

Número de elementos necesarios en un área dada. Area de la superficie de la estructura (m2). Coeficiente de capa.

Porosidad promedio de la coraza, en por ciento.

Se dan los valores de

y

obtenidos de ensayos en la tabla 2.4

PROFUNDIDAD DE LA CORAZA Se deben colocar los elementos de la coraza hasta una profundidad de -1.5H abajo del nivel de diseño del mar, en el caso de que la profundidad de desplante sea mayor que 1.5H como se presenta en la fig. 2.1. Donde H es la altura de ola de diseño. Cuando la estructura está a una profundidad menor que 1.5H, se deben colocar los elementos hasta el fondo como se presenta en la fig. 2.2. Es recomendable que la coraza en que actúa el oleaje de rompiente se apoye en una cuña de piedra como se presenta en la fig. 2.1. El peso de la piedra de la cuña será W/10, donde W es el peso de la piedra de la coraza; se coloca la cuña de piedra antes de la colocación de la coraza.



 r  TABLA 2.4

COEFICIENTE DE CAPA Y POROSIDAD PROMEDIO DE LA CORAZA

.

ELEMENTO DE LA CORAZA ROCA DE CANTERA (LISA) ROCA DE CANTERA (RUGOSA) ROCA DE CANTERA (RUGOSA) CUBO MODIFICADO TETRAPODO CUADRIPODO HEXAPODO TRIBAR

(

2 2 3 2 2 2 2 2

DOLOS

2

TRIBAR

1

)

COLOCACION

COEFICIENTE DE CAPA ( )

POROSIDAD (P) EN PORCENTAJE

VOLTEO

1.02

38

VOLTEO

1.15

37

VOLTEO

1.10

40

VOLTEO

1.10

47

VOLTEO

1.10

50

VOLTEO

0.95

49

VOLTEO

1.15

47

VOLTEO

1.02

54

VOLTEO

1.00

63

UNIFORME

1.13

47

PESO DE LOS ELEMENTOS DE LA CORAZA EN EL MORRO

El oleaje actúa en el morro procedente de varias direcciones y por eso se requiere más estabilidad de los elementos. Es recomendable que el peso de los elementos en el morro sea de 1.5 veces el peso de los elementos en el cuerpo.

PESO DE LOS ELEMENTOS DE LA CORAZA EN EL MORRO

Tamaño de piedra

Capa

Graduación de tamaños (%)

W

Coraza

125 a 75

W/10 a W/15

Capa secundaria

125 a 75

W/200 a W/6000

Núcleo

170 a 30

Fig. No. 2.1 Sección típica transversal en la que actúa el oleaje del lado exterior

Lado exterior

Lado interior Ancho de la corona Corona

N.P.

Coraza

N.B.

W -H

Núcleo

-1.5H

W/200 a W/6000 0a W /1

5 W/1

Delantal o faldón

W

aW

/2

W/10

a W/

15

PESO DE LOS ELEMENTOS DE LA CORAZA EN EL MORRO

Tamaño de piedra

Capa

Graduación de tamaños (%)

W

Coraza

125 a 75

W/10

Capa secundaria

125 a 75

W/200 a W/4000

Núcleo

170 a 30

Fig. No. 2.2 Sección típica transversal en la que actúa el oleaje de ambos lados

Ancho de la corona

N.P.

Corona Coraza W

N.B. -1.3H

pa Ca

a ari d n cu e s

W/10 Núcleo

W/200 a W/4000

Delantal o faldón

 214.6083ton/m 3 rw D

ESTUDIO DE CASO: DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Hacer el diseño apropiado de un rompeolas de enrocamiento para las condiciones indicadas a continuación. Profundidad de desplante: Altura de ola de diseño:

-11.00 m H1/3 = 3.80 m, cotg

ola no rompiente

morro cuerpo

Elementos de coraza: Roca de cantera (rugosa)

=2

3  H r W  (W )Sr4wr(51)20.6383(co)t5  S  1 D 3 2ton/m

DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

DISEÑO a).- Peso de los elementos de coraza (cuerpo)

donde:

3 .W 2 6  3 8 85127.50ton

DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Por recomendación del Shore Protection Manual se tiene: 5 x 0.75 = 3.5 ton. Elementos de coraza: 5 x 1.25 = 6.5 ton.

b).- Peso de los elementos de coraza (morro):

7.50 x 0.75 = 5.5 ton

W 5 W cH.s1W a  a  0 . 5 a 3 t o n 1dd0e0e5a3711.050kgakg0.75aton DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Elementos de coraza: 7.50 x 1.25 = 9.5 ton.

c).- Peso de los elementos de la capa secundaria (cuerpo):

d).- Peso de los elementos de la capa secundaria (morro):

W r1255k.k5ghast530kg.erW N C /r 3 1 DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

e).- Peso de los elementos del núcleo (cuerpo):

f).- Peso de los elementos del núcleo (morro):

g).- Cálculo de espesores (cuerpo): Espesor de coraza:

(de la tabla 2.4) (Número de capas)

1 / 3 5 e4 e2 e8 1e2 .1.52200.764.561/312.3.3167m m

DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

h).- Cálculo de espesores (morro) Espesor de coraza:

Sección tipo cuerpo

4.93 3.58 3.00 + 6.09 + 3.23 + 2.00 86

2 1. 3

5.00

2: 1

+ 0.00

1.2 3

2.

2.8 6

1 2:

5.00

Sección tipo morro

5.21 3.67 3.00 + 6.70 + 3.43 + 2.00 27

4 1. 3

5.00

2: 1

+ 0.00

1.4 3

3.

3.2 7

1 2:

5.00



TAREA 1: DISEÑO DE UN ROMPEOLAS DE ENROCAMIENTO

Hacer el diseño apropiado de un rompeolas de enrocamiento para las condiciones indicadas a continuación. Profundidad de desplante: Altura de ola de diseño:

-12.00 m H1/3 = 4.40 m, cotg

 r  2.5 ton / m 3  w  1.03 ton / m 3  D  2.8 morro D  4

ola no rompiente

cuerpo

Elementos de coraza: Roca de cantera (rugosa)

= 1.8