Download - 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