estudio experimental sobre la transmisión del oleaje en arrecifes

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
ESTUDIO EXPERIMENTAL SOBRE LA TRANSMISIÓN DEL OLEAJE EN ARRECIFES
ARTIFICIALES FABRICADOS CON ELEMENTOS DE CONCRETO
Robles Vargas Kenna1 y Ruíz y Zurvia Flores Jaime Roberto2
1
Estudiante, Posgrado, Instituto Politécnico Nacional. Av. Juan de Dios Batis S/N, Col. Lindavista,
Del. Gustavo A. Madero, México D.F., México. C.P. 07738
2
Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Instituto Politécnico Nacional. Av. Juan de Dios Batis S/N,
Col. Lindavista, Del. Gustavo A. Madero, México D.F., México. C.P. 07738
kenna.vargas@gmail.com, jaruizz@ipn.mx
Introducción
generador de oleaje (condición de modelo), y 4 m de
profundidad en donde se desplantó el arrecife artificial.
México cuenta con más de 11 500 km de extensión de costas,
esto representa un importante recurso natural que puede ser
aprovechado en diversos sectores productivos; debido a que
las costas es uno de los ambientes más dinámicos de nuestro
planeta, se ven afectadas por diversos factores ambientales,
entre los que se encuentra el oleaje, que continuamente
erosiona y modifica su forma, a causa del transporte de
sedimentos. Para su protección es primordial investigar
estructuras costeras que fomenten su conservación.
Niveles del mar
Dentro de las obras de protección playera empleadas se
encuentran los Arrecifes Artificiales, que se han empleado con
gran éxito en varias partes del mundo; para prevenir,
preservar, o en su caso la reconstrucción de playas. Para su
aplicación es fundamental establecer los parámetros de diseño
adecuados a las condiciones de oleaje a las que serán
sometidos, teniendo como objeto de estudio la obtención de
los coeficientes de transmisión como indicador de su
eficiencia.
El proyecto se realizó en el Laboratorio de Ingeniería
Hidráulica de la Escuela Superior de Ingeniería y
Arquitectura-Unidad Zacatenco del Instituto Politécnico
Nacional, en el canal angosto con generador hidráulico de
oleaje irregular y equipo de medición de oleaje, controlados
por computadoras. En el canal se implementó un modelo
físico reducido en el que se construyeron varias secciones de
arrecife, y se calcularon los coeficientes de transmisión del
oleaje, los que se contrastaron con formulaciones presentadas
en el estado del arte.
El estudio considera la condición del oleaje normal y de
tormenta, el plano de referencia fue el nivel de Bajamar Media
(N.B.M.).
Batimetría del modelo
Debido a las características experimentales del estudio y
tomando en cuenta las pendientes de las playas del caribe
mexicano, se representó un perfil playero con pendiente 1:20
donde se desplantaron las dos secciones del arrecife artificial a
ensayar.
Secciones de las Estructuras
En relación a estudios anteriores y a la información recabada,
se propusieron dos secciones trapezoidales de arrecife
artificial, de 50 m y de 34 m, con taludes 2:1 por los dos lados,
de tipo permeable, constituidas por enrocamiento en la capa
secundaria y elementos artificiales en la coraza(ver Fotografía
1).
Objetivo
Realizar un estudio experimental en modelo físico reducido de
varias secciones de arrecifes artificiales de elementos de
concreto, sometiendo cada estructura a la incidencia de trenes
de oleaje irregular, y calcular con los resultados obtenidos, los
coeficientes de transmisión del oleaje para cada una de las
estructuras.
Fotografía 1. Vista en corte de la estructura, se puede observar
las capas de la estructura.
Parámetros considerados en el estudio
Oleaje incidente
En base a datos de oleaje normal y de tormenta que
corresponde a olas generadas en mar abierto, se realizó una
propagación del oleaje hacia las profundidades a reproducir en
el modelo. De acuerdo con lo anterior, se calcularon las
características del oleaje a una profundidad de 10 m a pie del
Análisis Teórico
Transmisión del oleaje
Anteriormente se llevaron a cabo una serie de investigaciones
de laboratorio para cuantificar el coeficiente de transmisión, se
interpreta a través de la relación de la altura de ola incidente
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, entre la altura de ola transmitida
siguiente ecuación.
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representado por la
(1)
Donde: ( ), Coeficiente de Transmisión ( ); Altura de ola
significante incidente: ( ), Altura de la ola transmitida
Estas investigaciones produjeron fórmulas empíricas que se
han utilizado ampliamente en la Ingeniería de puertos y costas.
Sin embargo hay limitaciones a cada uno de ellos debido a las
condiciones de laboratorio y la gama de variables utilizados en
las pruebas (Seabrook, 1998).
Para una mejor la interpretación del fenómeno de transmisión
del oleaje sobre las estructuras estudiadas, se utilizaron los
parámetros adimensionales que se consideran de mayor
influencia para este fenómeno, los cuales se obtienen de
relacionar las principales características de la estructura y del
oleaje que incide sobre ella (Dattari, 1979).
Varias investigaciones experimentales se realizaron en el
pasado que condujo a expresiones semi-empíricas para el
coeficiente de transmisión en oleaje irregular como son:
Saville (1963), Goda (1969), Allsop 1983), Ahrens (1987),
Van der Meer (1988, 1990. 1991, 2004), D'Angremond, Van
Der Meer y de Jong (1996).
De las formulas desarrolladas por investigadores, las
propuestas para el estudio fueron las siguientes:
Ecuación de Goda et al (1969)
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3. Se procedió a la construcción de las secciones de los
Arrecifes Artificiales, colocando el núcleo y la coraza de
la estructura.
4. Se calibró el modelo, para reproducir las condiciones de
oleaje requeridos.
5. Se realizó el programa de ensayos con las dos secciones de
arrecife artificial.
6. Se documentó con video y fotografía de los ensayos.
7. Finalmente se realiza el análisis y procesamiento de los
resultados obtenidos de los ensayos.
Modelo Físico Hidráulico
Equipo e Instrumentación
Los ensayos se llevaron a cabo en un canal de oleaje angosto,
con dimensiones de 24.50 m de longitud, 0.90 m de
profundidad y 0.66 m de ancho (ver Fotografía 2.); el cual
cuenta en uno de los extremos con un generador hidráulico de
oleaje regular e irregular, cuyo control se efectúa por
procedimientos electrónicos por computadora; en el extremo
contrario del canal se cuenta con un amortiguador de oleaje
para absorber energía del oleaje, el cuál limita que se presente
el fenómeno de reflexión.
Para la medición del oleaje a reproducir en los ensayos, se
utilizaron dos sensores de oleaje de tipo resistivo. Las señales
analógicas recabadas por los sensores se amplificaron a través
de un ológrafo, que a su vez las envió a un convertidor de
señales (analógico/digital) con el que cuenta el equipo de
cómputo (Beresford, 1994); una vez digitalizadas fueron
analizadas por el programa de cómputo HR WAVES con que
cuenta el equipo (ver Fotografía 3.).
(2)
Ecuación de Armono (2003)
(3)
En donde las variables de las ecuaciones anteriores, tienen el
siguiente significado:
- Coeficiente de Transmisión
B - Ancho del coronamiento de la estructura.
- Bordo libre o sumergencia.
d - Profundidad.
h - Altura de la estructura.
- Altura de ola incidente.
- Período de la ola incidente.
/L - Relación de esbeltez de ola incidente.
d/L - Profundidad relativa.
- Ancho de coronamiento relativo.
- Profundidad de sumergencia relativa
α= 2 y β tiene valores de 0.1 (alto), 0.3 (medio) y 0.5 (bajo)
Fotografía 2. Canal angosto de oleaje irregular.
Metodología
1. Se inició con la selección de escalas del modelo de
acuerdo al fenómeno a representar en el estudio.
2. Se habilitó el canal, con un perfil playero.
Fotografía 3. Computadoras que controla el generador de oleaje,
y los ológrafos que reciben señales de los sensores.
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Procedimiento experimental
La selección de la escala de líneas se efectúa dependiendo del
tipo de fenómeno a estudiar, de las limitaciones existentes y
de las instalaciones y equipo disponibles (Hughes, 1993).
Para el presente estudio se tiene que las fuerzas que
predominan en el fenómeno son las gravitacionales y de
inercia, por lo tanto se utilizará la condición de similitud de
Froude, la cual rige los fenómenos que involucran flujos de
agua a superficie libre permitiendo que exista una relación
entre las fuerzas de gravedad y de inercia en el modelo, con
sus correspondientes en el prototipo (Berenguer, 1995).
En el modelo, son las dimensiones del canal de oleaje y los
requerimientos del generador de oleaje los que intervienen
directamente en la selección de la escala, así como el
fenómeno a modelar en este estudio, por esto se requerirá un
modelo de fondo fijo, sin distorsión (misma escala de líneas
horizontal y vertical) y con base a estudios anteriores y datos
obtenidos en el estado del arte, se selecciona para este caso
una escala de líneas de 1:20, que en función de la ley de
Froude y la escala propuesta se obtienen las siguientes
relaciones (ver Tabla 1.).
Para la realización de la fase experimental, se calcularon con
el programa de cómputo WAVEGEN, ocho señales de oleaje
irregular a reproducirse en los ensayos (espectro de PiersonMoskowitz), (ver Tabla 3.).
Tabla 3. Programa de Ensayos.
Ensayo
Período Tp
(seg.)
Altura de la
Ola Hs (m)
Sumergencia
(m)
1
2
3
4
5
6.00 s
7.00 s
8.00 s
9.00 s
10.00 s
1.42 m
1.94 m
2.54 m
3.22 m
3.97 m
Condiciones de los ensayos
Tabla 1. Escalas del modelo.
Tipo de Escala
Líneas
Horizontales
Líneas
Verticales
Longitudes de
Ola
Programa de ensayos
De 1.00 m y
0.50 m
Escala del modelo
o
Notación
Relación
Escala del modelo
EX
EX = EL
1:20
o
EY
EY = EL
1:20
o
o
EL
EL = EL
Altura de Ola
EH
Periodo de Ola
ET
Celeridad de Ola
EC
Escala de Pesos
EW
Escala de Fuerzas
EF
1:20
EH =
EL
ET =
EL1/2
EC =
EL1/2
EW =
EL3
EF =
EL3
1:20
o
1:4.47
1:4.47
1: 8
000
1: 8
000
o
Todos los ensayos se generaron bajo el oleaje
irregular.
Para producir el oleaje irregular se hace uso del
espectro de Pierson-Moskowitz en todas las pruebas.
En cada uno de los ensayos se reproducen 300 olas.
Cada estructura se somete a una incidencia total de
1500 olas, en condiciones normales de oleaje (0.50
m), y sobreelevación por tormenta (1.00 m).
En todos los ensayos se mide el oleaje en dos puntos
distintos (en frente del arrecife y en la parte superior
de este.).
Se realiza un registro de video y fotos de cada
ensayo (ver Fotografía 4.).
Construcción del modelo
Teniendo en cuenta los parámetros de la disposición del
modelo, se ejecutan los trabajos de la construcción del modelo
para lo cual se colaron los firmes de concreto para obtener las
pendientes del perfil a reproducir.
Elementos de la estructura
De acuerdo a la escala del modelo, se calcularon los pesos de
los materiales de enrocamiento y de los elementos artificiales
(ver Tabla 2.), así como el volumen necesario para el
rompeolas base.
Tabla 2. Peso de los elementos.
Peso
Prototipo
Modelo
Coraza
2.44 Ton
305 gr
Capa Secundaria
0.244 Ton
30.5 gr
Fotografía 4. Ensayo de la estructura de 50 m de ancho de
coronamiento.
Ensayos para obtener el coeficiente de reflexión
Con el objeto de conocer el grado de reflexión del oleaje en el
canal, y en dado caso tomarlo en cuenta en la interpretación de
los resultados, se procedió a evaluarla utilizando el método de
Mansard y Funke (Mansard, 1987).
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Ensayos para medir los coeficientes de transmisión de
oleaje
Estos se llevan a cabo mediante el proceso siguiente:
o
Se reprodujo oleaje en cada ensayo (ver Tabla 3),
para tener una incidencia de 300 olas sobre la
estructura.
Cada estructura se sometió a una incidencia total de
1500 olas sobre la estructura en prueba.
Se toman fotos y video segmentos de ensayo Con
base en los datos de oleaje transmitidos por los
sensores de oleaje al equipo de cómputo, se calculan
las alturas de la ola incidente y transmitidas y con
estas los coeficientes de transmisión.
o
o
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Análisis de los resultados
Como consecuencia del análisis de resultados de los ensayos,
se desarrollaron una serie de gráficas en las cuales se
relacionaron los datos aportados por el estudio, en donde se
relacionan la Sumergencia relativa del coronamiento contra el
coeficiente de transmisión medido (ver Ilustración 1), así
también se muestra la gráfica de Ancho de coronamiento
relativo contra el coeficiente de transmisión medido (ver
Ilustración 2) y los calculados con las fórmulas de Goda
(1969) contra el Coeficiente de transmisión medido (ver
Ilustración 3) y Armono (2003) contra el coeficiente de
transmisión medido (ver Ilustración 4), las cuales se
presentan a continuación.
Resultados
Finalizados los ensayos en el canal de oleaje irregular con las
diferentes estructuras descritas anteriormente, se obtuvieron
datos de las mediciones efectuadas, tales como:
o
o
o
o
Altura de ola significante incidente (
Altura de la ola transmitida ( ),
Período de ola incidente ( )
Período de la ola transmitida ( ),
)
Presentación de la información
Se procedió a realizar el análisis de los resultados, obteniendo
primeramente el Coeficiente de transmisión de acuerdo a la
información que fue aportada en los ensayos, se continuó con
la validación de los coeficientes de transmisión medidos
comparándolos con criterios de otros investigadores existentes
en el estado del arte, que presentan condiciones similares a las
de este estudio.
Ilustración 1. Sumergencia relativa del coronamiento vs.
Coeficiente de transmisión medido.
Los autores con los que se validó el estudio fueron: Goda
(1969) d’Angremond (1996), Van der Meer (1991, 2000 y
2004) y Armono (2003). A continuación se presentarán sólo
los resultados correspondientes a Goda (1969) y Armono
(2003), ya que nuestra estructura presenta mejor tendencia con
las fórmulas de estos dos autores.
Los resultados derivados de los ensayos de las dos secciones
de arrecife artificial, así como los calculados con las fórmulas
de Goda (1969) y Armono (2003), se presentan en la Tabla 4:
Tabla 4. Tabla de resultados.
Sumergencia: - Sumergencia: 1.00 m ; Base: 0.50 m: Base:
50 m
50 m
Serie Ensayo
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Sumergencia: - Sumergencia: 1.00 m ; Base: 0.50 m: Base:
34 m
34 m
Serie Ensayo
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
HI
TI
(m)
(seg)
1.2804
1.6516
2.0332
2.4050
3.5522
1.0552
1.3580
1.9764
2.5544
3.8348
HI
5.2145
5.5768
6.1760
7.1465
8.0342
5.1161
5.4247
6.4846
7.2672
8.0811
TI
(m)
1.0118
1.3906
1.7450
2.3970
3.2586
1.0396
1.4546
1.9326
2.4650
3.1614
KT
Medido
B/L
Rc / HI
KT Goda
(1979)
KT Armono
(2003)
0.29
0.29
0.29
0.29
0.23
0.63
0.58
0.49
0.47
0.37
1.700
1.568
1.391
1.180
1.037
1.740
1.621
1.316
1.158
1.031
-0.391
-0.303
-0.246
-0.208
-0.141
-0.948
-0.736
-0.506
-0.391
-0.261
0.45
0.40
0.38
0.36
0.33
0.71
0.61
0.50
0.45
0.38
0.34
0.30
0.29
0.28
0.24
0.50
0.46
0.42
0.39
0.33
(seg)
KT
Medido
B/L
Rc / HI
KT Goda
(1979)
KT Armono
(2003)
5.1145
5.7496
6.5903
7.6144
7.8783
5.1252
5.7630
6.4204
7.2477
8.2092
0.84
0.84
0.69
0.57
0.49
0.98
0.91
0.86
0.76
0.66
1.184
1.096
0.878
0.748
0.720
1.181
1.026
0.905
0.790
0.689
-0.494
-0.360
-0.287
-0.209
-0.153
-0.962
-0.687
-0.517
-0.406
-0.316
0.50
0.43
0.40
0.36
0.33
0.72
0.59
0.51
0.45
0.41
0.44
0.40
0.38
0.35
0.29
0.56
0.52
0.48
0.45
0.43
Ilustración 2. Ancho de coronamiento relativo vs Coeficiente de
transmisión medido.
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Ilustración 3. KT medidos vs KT calculados (Goda 1969).
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correspondiente a 50 m de coronamiento con sumergencia
de -0.50 m.
4. Los resultados expuestos en la Ilustración 4, se aprecia
para los valores de coeficientes de transmisión medidos
contra los coeficientes calculados con la fórmula de
Armono (2003), la estructura con mayor acercamiento a la
línea de tendencia y menor dispersión es la
correspondiente a la de 50 m de coronamiento con
sumergencia de -0.50 m.
5. Se concluye que las formulaciones que presentan una
mejor tendencia en relación con los datos medidos fueron
las propuestas por los autores: (Goda, 1969) y (Armono,
2003), aunque también se analizaron las propuestas por
d’Angremond en 1996 y Van der Meer de 1991, 2000 y
2004.
6. Finalmente, con base en las observaciones realizadas en el
estudio, se puede concluir que los parámetros que tienen
mayor influencia en la disminución de la transmisión del
oleaje son la sumergencia y el ancho de coronamiento de
los arrecifes artificiales.
Comentarios
Para finalizar, se pueden establecer los siguientes comentarios
de acuerdo con los resultados aportados por este Estudio:
I.
II.
III.
Ilustración 4. KT medidos vs KT calculados (Armono 2003).
Es conveniente continuar con los ensayos para
corazas de las estructuras constituidas por elementos
artificiales con otros tipos de formas hechas con
concreto.
Probar anchos de coronamiento mayores, para
determinar cuál puede ser el límite de magnitud en
relación con la disminución de la transmisión del
oleaje.
Evaluar nuevas profundidades de desplante de las
estructuras, ya que en este estudio solo se probaron
las mismas a una profundidad de 4.00 m promedio.
Agradecimientos
Conclusiones
Con base en las dos estructuras ensayadas con anchos de
coronamiento de 50 m y 34 m, cada una con una sumergencia
de -0.50 m y-1.00 m, de acuerdo a los resultados obtenidos se
puede llegar a lo siguiente:
1. Con respecto a los valores graficados en la Ilustración 1,
la estructura que disipa mayor energía del oleaje en
relación de los coeficientes de transmisión medidos contra
sumergencia relativa del coronamiento, es la estructura
con coronamiento de 50 m y una sumergencia de -0.50 m,
el rango de los resultados van de 0.29 a 0.23.
2. En lo correspondiente a los datos obtenidos en la
Ilustración 2, en donde se evalúa el coeficiente de
transmisión contra el ancho de coronamiento relativo,
muestran que la estructura con mejores resultados es la de
ancho de coronamiento de 50 m y sumergencia de -0.50
m el rango de estos valores va de 0.25 a 0.29.
3. Para validar los resultados obtenidos se tiene que
contrastar con investigadores que tienen sus ecuaciones
calibradas. En la Ilustración 3 se muestran los
coeficientes calculados con la fórmula de Goda (1969), la
estructura que presenta un acercamiento a la línea de
tendencia y menos dispersión de los resultados, es la
A la Secretaría de Investigación y Posgrado (SIP - IPN),
por otorgar un financiamiento al proyecto de investigación
“Atenuación del oleaje en playas con Arrecifes Artificiales”,
con número de referencia SIP-20131089. Finalmente al
Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la Escuela
Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco
del IPN, por las facilidades en la utilización del equipo y la
instrumentación necesaria.
Referencias
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breakwaters made of hollow hemispherical shape
artificial reefs. En 1st Coastal, Estuary and Offshore
Engineering Specialty Conference of the Canadian
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Berenguer, J. M. (1995). Estudios Experimentales en el
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Agua, Vol. 2, Número Extraordinario, 143-166.
Beresford. (1994). Wave Generator Control Software
Program user manual. Inglaterra, HR Wallingford
Ltd.
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Dattari, J. R. (1979). Performance Characteristics of
Submerged
Breakwaters.
16
International
Conference on Coastal Engineering, American
Society of Civil Engineers, (págs. 2152-2171). New
York.
Goda, Y. T. (1969). "Laboratory Investigation of Wave
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Hughes, S. (1993). Physical Models and Techniques in
Coastal Engineering. Vol.7 Advanced Series on
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Mansard, F. (1987). On the relfection analysis if irregular
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Seabrook, S. a. (1998). Wave Transmission at submerged
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Coastal Engineering Conference, (págs. 2000-2013).
Copenhagen, Denmark.
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