ESTUDIO EXPERIMENTAL DE ROMPEOLAS SUPERFICIALES PERMEABLES CON AMPLIACIÓN DE BERMA

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MEXICO D.F

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS (ESIA-ZACATENCO)

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN

HIDRÁULICA

JOSÉ MIGUEL RAMÍREZ CUEVAS

PRESENTA:

ABRIL 2009 DIRECTOR DE TESIS:

M. en C. JAIME ROBERTO RUIZ Y ZURVIA FLORES

“

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE

ROMPEOLAS SUPERFICIALES

PERMEABLES CON AMPLIACIÓN DE

BERMA

”

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E

INVESTIGACION

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“El éxito de todo buen proyecto siempre inicia con tomar la decisión de empezarlo, desarrollarlo y no interrumpirlo hasta llegar a su conclusión”… M. en I. Abraham

Ramírez Sabag.

“El poder del hombre es ilimitado cuando no está sujeto a la pereza, y cuando confía en el feliz resultado de lo que quiere con todas susfuerzas”… Arnold.

“Lo que sabemos es una gota de agua, lo que ignoramos es el océano”… I. Newton

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AGRADECIMIENTOS

Al Arquitecto del Universo por permitirme y brindarme la oportunidad de ser y estar en este mundo terrenal.

A Genoveva Cuevas Román y José Miguel Ramírez García, por ser los padres más maravillosos del mundo; por el cariño que siempre me han dado, por su comprensión para entender mis razones e inquietudes, por su ternura, confianza y amor, por ser siempre un ejemplo, apoyo y motivación en mi formación, por sus consejos y palabras que han sido fuente de inspiración, por ser luchadores y esforzarse en ser mejores día con día, por sus enseñanzas transmitidas, por ser los pilares de una gran familia, por esto y muchas cosas más… gracias… este logro es de ustedes también.

Al Instituto Politécnico Nacional, a la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco, a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, a la Maestría en Ciencias con Especialidad en Hidráulica; por brindarme abrigo en sus aulas, ya que han sido parte fundamental en el desarrollo profesional de mi vida.

A mi querido y admirado profesor M. en C. Jaime Roberto Ruiz y Zurvia Flores por sus invaluables comentarios, sugerencias, ayuda y por ser guía en este camino que opte por andar.

A los profesores que enriquecieron con sus luces y conocimientos mi ámbito profesional y que de alguna manera contribuyeron con ideas en este presente trabajo y en mi formación:

Dr. Juan Manuel Navarro Pineda, M. en C. Jaime Roberto Ruiz y Zurvia Flores,

M. en C. Lucio Fragoso Sandoval, M. en C. Pino Durán Escamilla, M. en C. Manuel Meneses García, M. en C. Bruno Juárez León, Dr. Sergio Cruz León, Dr. Mario Ulloa Ramírez y Dr. Francisco Antelmo Díaz Guerra.

A mis compañeros de la Maestría y candidatos a M. en C.: Ing. Dinorah E. Monroy Vázquez, Ing. Elizabeth Hernández Catana, Ing. Arquímedes Vázquez Ramírez, Ing. Gilberto Díaz Gómez e Ing. Rocjaques Mompremier; quienes con su amistad, aliento, motivación, comentarios y sugerencias hicieron ameno este viaje en esta etapa de mi formación profesional.

A todas aquellas personas que de alguna manera contribuyeron, motivaron y coincidieron en esta etapa y momento de mi vida…

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DEDICATORIAS

Abnegados por convicción, pero fuertes por decisión.

Mis mejores amigos en la vida.

Incondicionales con los seres que aman.

Sin ustedes simplemente no existiría.

Pregonan con el ejemplo, la verdad, la razón y la justicia.

Amor en sus vidas son reflejados en sus actos.

Dedicados, alegres y orgullosos en lo que realizan.

Responsables, rectos y justos en sus diferentes trabajos.

En ustedes encuentro el ejemplo, la guía y también el abrigo.

Sinceros, leales y cariñosos.

A mis hermanos: Ana Laura y Jesús Alberto por ser mis compañeros de toda la vida, y con quienes he convivido, peleado, llorado y disfrutado muchas etapas, momentos y pasajes de mi existir, y quienes de alguna manera me han motivado a seguir luchando siempre ante todo.

A mi querida Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional, la cual me ha dado mucho de lo que soy, me ha enseñado y abrigado durante mi etapa de formación profesional y de la cual estoy muy contento y orgulloso.

A todas aquellas amistades, compañeros y familiares, que con su aliento y motivación, estimularon mi interés y dedicación para seguir con mi formación profesional, y que de alguna manera se encuentran en mi mente, pero que por cuestión de espacio me es imposible mencionar, pero que también tienen un lugar en mi memoria e integran parte de éste logro.

A todas aquellas personas que por interés o curiosidad, se encuentren con esta información, esperando sea de su agrado, ayuda, motivación, etc., en algún instante, momento o etapa de su vida o formación.

“No puedo cambiar la dirección del viento, pero sí ajustar mis velas para llegar siempre a mi destino”… James Deam.

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INDICE

GLOSARIO DE TÉRMINOS … ii

LISTA DE FIGURAS … viii

LISTA DE TABLAS … xiii

SIMBOLOGÍA … xiv RESUMEN … xvi ABSTRACT … xvii INTRODUCCIÓN … xviii JUSTIFICACIÓN … xx OBJETIVOS … xxi HIPÓTESIS … xxii METODOLOGÍA … xxiii CAPÍTULO I OBRAS MARÍTIMAS DE PROTECCIÓN … 2

1.1 Tipos de obras de protección costera según su función … 3

1.1.1 Clasificación de los rompeolas … 5

1.2 Las obras de protección en México … 7

1.3 Oleaje irregular … 9

1.3.1 Historia de los métodos espectrales … 11 1.3.2 Espectros de oleaje … 13

1.4 Resumen … 17 CAPÍTULO II INTERACCIÓN DEL OLEAJE CON LAS OBRAS DE PROTECCIÓN … 18

2.1 Efectos causados por el oleaje sobre los rompeolas … 18 2.1.1 Rompiente del oleaje … 19

2.1.2 Ascenso y Descenso de la ola (Run-up y Run-down) … 20 2.1.3 Rebase del oleaje (Overtopping) … 27 2.1.4 Investigaciones sobre el Rebase del Oleaje (Overtopping) … 32 2.3 Resumen … 46 CAPÍTULO III OBRAS COMPLEMENTARIAS PARA EL REBASE DEL OLEAJE. … 48

3.1 Estructuras usadas para evitar el Rebase del Oleaje (Overtopping) … 48 3.2 Actualización de las Obras Marítimas de Protección (Bermas) … 54

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CAPÍTULO IV MODELACIÓN FÍSICA … 76

4.1 Generalidades de la modelación … 77

4.1.1 Historia de la modelación hidráulica … 78

4.1.2 Importancia de la modelación física … 79

4.1.3 Tipos de modelos … 80

4.2 Selección de escalas. … 81

4.3 Condiciones de similitud y análisis dimensional … 83

4.3.1 Condiciones de similitud … 84

4.3.2 Análisis dimensional … 85

4.4 Instalación, equipo e instrumentación … 87

4.4.1 Instalación … 87

4.4.2 Equipo … 88

4.4.3 Instrumentación … 92

4.5 Diseño y construcción del modelo … 93

4.5.1 Diseño del modelo … 93

4.5.2 Construcción del modelo … 96

4.6 Resumen … 104

CAPÍTULO V ENSAYOS, PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS

DE RESULTADOS … 106

5.1 Condiciones de los ensayos … 107

5.2 Procedimiento Experimental … 108

5.2.1 Programa de ensayos … 109

5.3 Observación de los ensayos … 110

5.4 Procesamiento de los Resultados … 128

5.5 Análisis de los Resultados … 129

5.6 Estimación de Errores … 132

5.7 Resumen … 133

CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES … 134

6.1 Conclusiones … 134

6.2 Recomendaciones … 137

ANEXOS … 138

A.1 Causas que originan la distorsión … 138

A.2 Tipos de mediciones … 138

A.3 Calibración … 139

A.4 Ventajas y desventajas de los modelos físicos … 140

A.5 Aplicación del análisis dimensional … 142

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GLOSARIO DE TÉRMINOS

Altura de ola incidente.- Diferencia vertical de niveles entre la cresta y el valle de una ola medida.

Altura de ola transmitida.- Altura de ola medida después de la estructura.

Ascenso de la ola (run-up).- Distancia vertical que la ola asciende sobre el talud de un rompeolas, medido a partir del nivel medio del mar.

Berma.- Área o parte del perfil de un rompeolas a menudo construida para apoyar la estructura lado mar.

Canal de oleaje angosto.- Instalación construida en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica en donde se realizó la parte experimental de esta tesis.

Capa secundaria.- Capa de enrocamiento entre la coraza y el núcleo, la cual no permite la salida del material del núcleo.

Coeficiente de reflexión.- Coeficiente que se obtiene de relacionar la altura de ola reflejada con la altura de ola incidente.

Coeficiente de transmisión.- Es el resultado de la relación entre la altura de ola transmitida con la altura de ola incidente.

Condiciones hidrodinámicas.- Condiciones que se presentan debido al comportamiento de los fenómenos marítimos (viento, oleaje, mareas y corrientes). Coraza.- Capa superior de un rompeolas que está formada por los elementos de mayor peso y que tiene la función de disipar la energía del oleaje.

Daño.- Consecuencia del desplazamiento de la posición original de los elementos de coraza debido a la incidencia del oleaje.

Descenso de la ola (Run-down).- Distancia vertical entre el nivel medio del mar en reposo y el punto más bajo que alcanza la superficie libre del agua sobre el talud de la estructura de protección.

Difracción.- Fenómeno que se produce cuando las olas inciden sobre alguna barrera que puede ser natural o artificial, la cual impide parcialmente su paso a la zona posterior del mismo; ocasionando una transferencia de energía lateral de una zona a otra.

Elevación de la ola.- Es la altura medida en metros a partir del nivel medio del mar hasta la cresta de una ola.

Energía cinética.- Parte de la energía total de la ola debida a las velocidades de las partículas de agua, asociadas con el movimiento de la ola.

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Energía Potencial.- Parte de la energía total de la ola que resulta de las masas del fluido que se encuentra por encima del valle de la ola.

Ensayo.- Reproducción controlada de un fenómeno en laboratorio, con el fin de observar, entender y medir los efectos y características que en el se producen.

Escollera.- Estructura de protección diseñada y construida para comunicar o encausar algún cuerpo de agua con el mar y controlar el transporte de sedimentos.

Espigón.- Estructura de protección diseñada y construida de enrocamiento para generar abrigo a una playa.

Espectro de oleaje.- Serie de datos agrupados que expresan la distribución de la energía del oleaje.

Estabilidad.- Indicador de la eficiencia de una estructura en diseño y funcionamiento al estar sometida a la incidencia del oleaje.

Estructura de protección.- Elemento costero ubicado de manera paralela, perpendicular u oblicua a la línea de playa, cuya variación radica en la forma geométrica, tamaño, tipo de material con el que es construido, cuya función principal es la de mitigar la energía del oleaje con lo que se genera una zona de relativa calma en su parte posterior.

Frecuencia del Oleaje:- Inversa del periodo de la ola, dada por f=1/T.

Fondo fijo.- Zona de desplante del rompeolas, la cual es impermeable sin movimiento en el modelo.

Fuerza de Coriólis.- Fuerza por unidad de masa, que se genera por el movimiento de la rotación de la tierra.

Generador de Oleaje.- Equipo con el que se genera oleaje de tipo regular e irregular así como la ola solitaria por medios hidráulicos controlados por computadora.

Lado mar.- Parte anterior del rompeolas, en el cual la estructura recibe el oleaje. Lado tierra.- Parte posterior del rompeolas, donde se crea la zona de relativa calma. Longitud de ola.- Es la distancia horizontal en metros, medida entre dos crestas o dos valles.

Medición.- Obtención de datos a través de cierto equipo al momento de reproducir de manera controlada un fenómeno en Laboratorio.

Modelo físico reducido.- Representación física a escala del prototipo de una estructura o fenómeno, que cumple con las tres leyes de similitud, la geométrica, la cinemática y la dinámica.

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Modelo matemático.- Representación de un fenómeno, en el cual se pretende resolver un problema mediante técnicas matemáticas.

Modelo analógico.- Es aquel en donde dos fenómenos físicos de diferente naturaleza son descritos por las mismas ecuaciones y se expresan con formas matemáticas análogas.

Nivel de la superficie libre del agua.- Es la altura ya sea positiva o negativa de la ola con respecto a la superficie libre del agua en reposo cuyas unidades están dadas en metros.

Núcleo.- Capa Interior de una obra de protección costera, cuya función es la de soportar el peso de las demás capas, que bien puede ser capa secundaria y coraza o bien únicamente esta última.

Oleaje de tormenta.- Es aquel que se produce debido a los fuertes vientos que se genera una tormenta tropical con velocidades superiores a los 120 Km/hr.

Oleaje irregular.- Sistema de olas compuesto por una combinación de olas simples de distinto periodo, altura, dirección, etc.

Ológrafo.- Equipo electrónico que registra y amplifica las señales que se encargan de enviar los sensores de oleaje.

Overtopping.- Fenómeno que se genera cuando el ascenso de la ola sobre la cara del rompeolas rebasa la arista del coronamiento sobrepasando por lo tanto la cota de diseño del rompeolas; es decir, consiste en el paso de agua sobre el cuerpo del rompeolas.

Parámetro adimensional.- Son los parámetros que relacionan magnitudes del mismo tipo, por lo que estos carecen de dimensiones.

Parámetro de similitud de rompiente.- Parámetro que indica o permite conocer si la ola rompe o no.

Perfil.- Línea que dibuja el contorno o la silueta de la sección transversal de algún objeto.

Periodo de la ola.- Es el intervalo de tiempo en segundos que tardan en pasar dos crestas o dos valles de una ola por un mismo punto, y es el único que teóricamente no cambia en aguas someras, intermedias o profundas.

Periodo pico.- Intervalo de tiempo entre el paso por un mismo punto de las dos crestas más altas consecutivas en un registro de oleaje.

Plausible.- Es el hecho de que algún concepto, factor u hecho pueda ser admitido, demostrado o probado.

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Procedimiento experimental.- Metodología que se sigue para conocer las características o efectos de algún fenómeno que se presenta en una estructura al momento de ejecutar los ensayos; es decir, implica experimentación.

Profundidad del agua.- Es el tirante de agua que se mide desde el fondo hasta el nivel medio del mar (N.M.M.).

Profundidad relativa.- Parámetro adimensional donde se relaciona la profundidad del agua con la longitud de la ola incidente (d/L).

Programa de ensayos.- Planteamiento de las características de un fenómeno a reproducir en condiciones controladas en laboratorio, en base al número de series, ensayos y objetos para estudiar dicho fenómeno.

Prototipo.- Es el objeto estudiado y del cual se obtienen los datos para el diseño y la posibilidad de ser estudiado en un modelo físico.

Puerto.- Es el conjunto de obras, instalaciones y organizaciones que permiten al hombre aprovechar un lugar de la costa más o menos favorable para realizar operaciones de intercambio de mercancía entre el trabajo terrestre y marítimo.

Reflexión.- Deformación del oleaje que se presenta luego de incidir sobre algún obstáculo.

Refracción.- Fenómeno que se presenta cuando el oleaje se aproxima a la costa, ocasionando que los frentes de ola se desplacen a diferentes velocidades, esto depende de la profundidad, provocando que la cresta se deforme en su proyección horizontal. Relación de esbeltez.- Relación existente entre la altura y la longitud de una ola (H/L). Rompiente.- Es el resultado de la incidencia del oleaje contra una estructura de protección; presentándose principalmente por la relación de esbeltez, por efecto del fondo, la transferencia de energía del viento sobre la superficie libre del agua o por la forma de la estructura sobre la cual rompe.

Rompeolas.- Estructura construida por lo general de elementos naturales (roca) o elementos artificiales sobre todo en su última capa; su función es la de mitigar el oleaje y con ello disipar su energía, con lo cual se genera una zona de abrigo o calma al interior del recinto portuario.

Rompeolas con ampliación de berma.- Estructura de protección con capas de núcleo, capa secundaria y coraza, con una adición de berma (similar a la roca de la capa secundaria).

Rompeolas de berma.- Estructura de protección, construida básicamente por las capas de núcleo y berma (similar a la roca de la capa secundaria).

Rompeolas de berma tipo Islandés.- Estructura de protección, construida básicamente por las capas de núcleo y berma (esta última de varios pesos y tamaños de roca). Trabaja de una forma de reconfiguración estática estable.

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Rompeolas permeable.- Estructura de protección costera básicamente construida de enrocamiento que permite el paso mínimo del agua por sus espacios entre sus capas y rocas.

Rompeolas superficial.- Es la estructura de protección costera, cuyo nivel de coronamiento de su última capa se encuentra por encima del nivel medio del mar.

Rompiente del oleaje.- Resultado de la incidencia del oleaje contra una playa o estructura de protección, la cual se hace presente cuando el oleaje llega a un estado crítico que se presenta principalmente por la relación de esbeltez de la ola, el efecto de fondo o bien por la forma de la estructura.

Ruido blanco.- Es un algoritmo que permite al sistema generar los archivos de las señales de oleaje de tipo irregular para poder ser reproducidas por la paleta del generador de oleaje.

Sensor de oleaje.- Es un instrumento de medición de tipo capacitivo, formado por dos varillas; el cual se encarga de recibir las alturas de ola que se generan dentro del canal y las envía al ológrafo en donde son amplificadas.

Señal de oleaje.- Es un dato que se produce a partir de las características de una ola y es reproducida por el generador dentro del canal.

Transmisión de la ola.- Efecto que se asocia con la permeabilidad y las características geométricas de la estructura de protección a talud que se presenta a través del cuerpo de la estructura o por rebase del mismo (overtopping), generándose así, agitación en la parte protegida.

Velocidad de propagación de la onda.- Es la velocidad a la cual se propaga la onda, y se expresa como la relación de la longitud con el periodo de la onda (L/T), está dada en metros.

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LISTA DE FIGURAS.

Capitulo 1 Obras Marítimas de Protección.

Figura 1.1 Ejemplo de Escollera 3

Figura 1.2 Escollera del Puerto de Coatzacoalcos, Veracruz 3

Figura1.3 Ejemplo de Espigón 4

Figura 1.4 Espigones de Algarve, Portugal 4

Figura 1.5 Ejemplo de Rompeolas 4

Figura 1.6 Rompeolas del Puerto de Mazatlán, Sinaloa 5

Figura 1.7a Ejemplos de elementos prefabricados (dolos) 6

Figura 1.7b Ejemplos de elementos prefabricados (cubos ranurados) 6

Figura 1.7c Ejemplos de elementos prefabricados (Acropodos) 6

Figura 1.7d Ejemplos de elementos prefabricados (Xbloc) 6

Figura 1.8 Tipos de elementos artificiales en una obra atalud 6

Figura 1.9a Rompeolas de Salina Cruz, Oaxaca, con elementos artificiales 8

Figura 1.9b Rompeolas de Salina Cruz, Oaxaca, con elementos artificiales 8

Figura 1.10 Esquema del Oleaje Regular 10

Figura 1.11 Esquema idealizado del oleaje irregular 10

Figura 1.12 Envolvimiento de un perfil de onda irregular 14

Figura 1.13 Esquema de un espectro idealizado de oleaje 17

Capitulo 2 Interacción del oleaje con las obras de Protección Figura 2.1 Algunos efectos del oleaje sobre la estructura 18

Figura 2.2 Tipos de rompientes en un talud 20

Figura 2.3a Rompiente tipo spilling 20

Figura 2.3b Rompiente tipo plunging 20

Figura 2.3c Rompiente tipo surging 20

Figura 2.3d Rompiente tipo collapsing 20

Figura 2.4 Rompiente tipo surging 21

Figura 2.5 Rompiente tipo plunging 21

Figura 2.6a Ascenso del oleaje sobre una estructura (Run-up) 22

Figura 2.6b Ascenso del oleaje sobre una estructura en modelo físico reducido 23

Figura 2.7 Ascenso del oleaje sobre el talud 23

Figura 2.8 Descenso del oleaje sobre una estructura 25

Figura 2.9a Descenso del oleaje en modelo físico reducido 25

Figura 2.9b Descenso del oleaje en modelo físico reducido 25

Figura 2.10 Rebase del oleaje (overtopping) 28

Figura 2.11a Daños generados por el rebase de oleaje extremo a rompeolas, instalaciones y embarcaciones 28

Figura 2.11b Daños generados por el rebase de oleaje extremo a rompeolas instalaciones y embarcaciones 28

Figura 2.11c Impacto del oleaje en la defensa del Puerto de Scarborough, Inglaterra 28

Figura 2.11d Daños ocasionados después de un oleaje de tormenta 28

Figura 2.12 Caudales de rebase tolerables 31

Figura 2.13 Rebase de oleaje en pruebas de laboratorio en modelo físico reducido 32

Figura 2.14 Variedad de formas de rebase del oleaje 37

Figura 2.15 Detalles estructurales de la sección A y B 38

Figura 2.16 Geometría inicial de un rompeolas de berma (Andersen 2004) 45

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Capitulo 3 Obras complementarias para el rebase del oleaje

Figura 3.1a Oleajes incidiendo sobre una estructura de protección 48

Figura 3.1b Oleajes incidiendo sobre una estructura de protección 48

Figura 3.2 Distintas variedades de deflectores (geométricas) 49

Figura 3.3 Investigaciones en el Reino Unido sobre el rebase de oleaje 50

Figura 3.4 Rompeolas de Zeebrugge diseñado para minimizar el rebase del oleaje 51

Figura 3.5 Rompeolas de Samphire Hoe con prolongación de deflector de oleaje 51

Figura 3.6 Rompeolas del Puerto de Ensenada, sección en talud 5:1 en promedio 52

Figura 3.7a Vista del rompeolas de enrocamiento y deflector de Ensenada 52

Figura 3.7b Deflector de concreto 53

Figura 3.8 Nuevo rompeolas de protección y deflector de oleaje del puerto de Ibiza 53

Figura 3.9 Prolongación de rompeolas con deflector de oleaje del puerto de Gijón 54

Figura 3.10 Características de la berma 55

Figura 3.11 Rompeolas de enrocamiento convencional 56

Figura 3.12 Rompeolas con berma 56

Figura 3.13a Berma sumergida 57

Figura 3.13b Berma sobre el nivel medio del mar 57

Figura 3.13c Berma superficial 57

Figura 3.14 Sección transversal de un rompeolas de berma 59

Figura 3.15 Diferentes tipos de rompeolas y rompeolas con berma 60

Figura 3.16 Rompeolas de berma con un perfil inicial y final 62

Figura 3.17 Berma como defensa costera para islas artificiales 62

Figura 3.18 Definición de ángulos en estructuras con berma 63

Figura 3.19 Perfil inicial para las pruebas de DHI 64

Figura 3.20a Perfil reconfigurado inicial, predictivo y medio 64

Figura 3.20b Perfil reconfigurado inicial, predictivo y medio 64

Figura 3.21 Rompeolas de berma, Puerto de Saulnierville, NS 67

Figura 3.22 Protección con rompeolas de berma del Puerto de Sirevag, Noruega 67

Figura 3.23 Rompeolas de berma de enrocamiento reconfigurado 67

Figura 3.24 Rompeolas de enrocamiento convencional 68

Figura 3.25 Rompeolas de berma reconfigurado 68

Figura 3.26 Rompeolas de berma de Islandia 69

Figura 3.27 Perfiles dinámicos estables para diferentes taludes iniciales 69

Figura 3.28 Ejemplo de un perfil computacional para un rompeolas de berma 71

Figura 3.29 Línea básica de un rompeolas de berma 72

Figura 3.30 Recesión en un rompeolas reconfigurado 73

Figura 3.31 Recesión adimensional vs el número de estabilidad del periodo H0T0 para el rompeolas de berma de Sirevag, Noruega 74

Figura 3.32 Rompeolas de berma homogéneo Multi-capas (Sirevag, Noruega) 74

Capitulo 4 Modelación Física. Figura 4.1 Proyección lineal del sistema modelo-prototipo 84

Figura 4.2 Características del canal de oleaje angosto del Laboratorio de Hidráulica 87

Figura 4.3 Canal de oleaje angosto del Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Zacatenco, I.P.N. 88

Figura 4.4 Generador de oleaje regular e irregular 88

Figura 4.5 Paleta de tipo pistón hidráulico 88

Figura 4.6 Equipo de cómputo que controla al generador de oleaje 89

Figura 4.7 Sensor de oleaje de tipo resistivo 92

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Figura 4.9 Caseta de control del generador de olas, equipo e instrumentación 93

Figura 4.10 Perfilador de fondo manual 93

Figura 4.11a Nuevo perfil playero en el canal de oleaje angosto 97

Figura 4.11b Limpieza, cepillado y pintado del canal de oleaje angosto 97

Figura 4.12 Configuración del canal de oleaje del Laboratorio de Ingeniería Hidráulica. Perfil playero obtenido con las pendientes en cada una de las secciones del canal 97

Figura 4.13a Cepillado, lijado y pintado del amortiguador de oleaje 97

Figura 4.13b Limpieza de las fibras que conforman el amortiguador 97

Figura 4.13c Colocación de las fibras del amortiguador 98

Figura 2.13d Clasificación, limpieza y colocación de la roca (tezontle) para el amortiguador dentro del canal de oleaje angosto 98

Figura 4.13e Terminación del mantenimiento del amortiguador y posteriormente colocado de este dentro del canal de oleaje angosto 98

Figura 4.14 Esquema de las dimensiones del depósito de acrílico para la obtención de los volúmenes de rebase del oleaje 98

Figura 4.15a Corte del acrílico para adquirir las secciones del depósito 99

Figura 4.15b Armado y pegado del depósito de acrílico 99

Figura 4.15c Lijado con esmeril del depósito de acrílico 99

Figura 4.15d Pegado y sellado de las uniones del depósito de acrílico 99

Figura 4.15e Pegado y sellado de las uniones del depósito de acrílico 99

Figura 4.15f Verificación de las juntas del depósito de acrílico para que no haya fuga alguna 100

Figura 4.16 Material de roca con que cuenta el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica 100

Figura 4.17a Rompimiento de la roca 101

Figura 4.17b Pesado y clasificación de la roca para las diferentes capas 101

Figura 4.17c Pintado de la roca correspondiente a la capa de coraza 101

Figura 4.17d Obtención y pintado de la roca de berma 101

Figura 4.18 Terminación del mantenimiento para la base del perfilador de fondo manual 101

Figura 4.19 Diseño, trazado y elaboración de los escantillones con papel ilustración para el posterior trazado de la sección tipo 102

Figura 4.20 Colocado de los escantillones dentro del canal de oleaje angosto y trazado de las cintas adhesivas especiales de color rojo para posteriormente construir la estructura tipo 102

Figura 4.21a Colocación del depósito de acrílico y construcción del rompeolas tipo (capa correspondiente al núcleo) 102

Figura 4.21b Colocación de la capa secundaria y la roca de coraza 102

Figura 4.22 Sección 1. Rompeolas sin berma a ensayar (sección de la estructura tipo) 103

Figura 4.23 Trazado y colocado de las líneas con cinta adhesiva de color rojo para la nueva sección en estudio 103

Figura 4.24 Sección 2. Primera ampliación de berma. Talud 2:1 y ancho de berma de 10 metros (prototipo) 103

Figura 4.25 Sección 3. Segunda ampliación de berma. Talud 2:1 y ancho de berma de 20 metros (prototipo) 103

Figura 4.26 Sección 4. Tercera ampliación de berma. Talud 1.5:1 y ancho de berma de 20 metros (prototipo) 103

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Capitulo 5 Ensayos, Procesamiento y Análisis de resultados

Figura 5.1 Rompeolas tipo (estructura sin berma), talud 2:1, Tp=6.32 s y

Hs=1.59 m. Primeras 1000 olas 110

Hs=1.92 m. 2000 olas acumuladas 110

Figura 5.9 Ensayo 1. Primera berma con talud 2:1, Tp=6.32 s y Hs=1.59 m.

Primeras 1000 olas 114

2000 olas acumuladas 114

Figura 5.20 Ensayo 4. Segunda berma con talud 2:1, Tp=8.22 s y Hs=2.68 m.

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Figura 5.27 Ensayo 4. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=8.22 s y Hs=2.68 m.

Figura 5.28 Ensayo 5. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=8.55 s y Hs=3.11 m. 5000 olas acumuladas. 124

Figura 5.29 Ensayo 6. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=9.49 s y Hs=3.60 m. 6000 olas acumuladas 124

Figura 5.30a Ensayo 7. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=10.12 s y Hs=4.05 m. 7000 olas acumuladas 125

Figura 5.30b Ensayo 7. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=10.12 s y Hs=4.05 m. 7000 olas acumuladas 125

Figura 5.33 Ensayo 10. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=12.02 s y Hs=5.76 m. 10,000 olas acumuladas 126

Figura 5.34a Ensayo 11. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=12.02 s y Hs=5.76 m 11,000 olas acumuladas 127

Figura 5.34b Ensayo 11. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=12.02 s y Hs=5.76 m 11,000 olas acumuladas 127

Figura 5.35a Ensayo 12. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=12.02 s y Hs=5.76 m. 12,000 olas acumuladas 127

Figura 5.35b Ensayo 12. Tercera berma con talud 1.5:1, Tp=12.02 s y Hs=5.76 m. 12,000 olas acumuladas 127

Figura 5.36 Descargas de rebase vs Altura de ola incidente (rompeolas sin berma y con las diferentes bermas) 130

Figura 5.37 Descargas de rebases calculados (Owen) vs Rebases medidos 131

Figura 5.38 Descargas de rebases calculados (Jorgen Juhl) vs Rebases medidos 131

Figura 5.39 Descargas de rebases calculados (van der Meer) vs Rebases medidos 132

Figura 5.40 Descargas de rebases calculados (van der Meer, descarga máxima) vs Rebases medidos 132

Capitulo 6 Conclusiones y recomendaciones Figura 6.1 Gráfica correspondiente al resultado del perfil inicial vs perfil final de la berma número 1 135

Figura 6.2 Gráfica correspondiente al resultado del perfil inicial vs perfil final para la berma número 2 135

Figura 6.3 Gráfica correspondiente al resultado del perfil inicial vs perfil final para la berma número 3 136

Anexo Figura A.1 Gráfica de correlación del sensor al pie de la estructura (aguas intermedias) 140

Figura A.2 Gráfica de correlación del sensor colocado cerca del generador de Oleaje (aguas profundas) 140

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LISTA DE TABLAS

Capitulo 1 Obras Marítimas de Protección.

Tabla 1.1 Principales Puertos Mexicanos y sus Obras de Protección 7

Capitulo 2 Interacción del oleaje con las obras de Protección Tabla 2.1 Coeficientes de A y B en la fórmula de Owen 35

Tabla 2.2 Detalles estructurales de la sección A y B. 38

Tabla 2.3 Valores de los coeficientes para las fórmulas 2.51 y 2.52 44

Capitulo 3 Obras complementarias para el rebase del oleaje Tabla 3.1 Coeficientes de reducción por existencia de berma 64

Tabla 3.2 Lista de Rompeolas de berma construidos 66

Tabla 3.3 Criterios de movilidad para un ángulo modesto para un oleaje incidente 70

Capitulo 4 Modelación Física. Tabla 4.1 Escalas lineales empleadas en modelos hidráulicos 82

Tabla 4.2 Tipos y valores de escalas utilizadas en el modelo de estudio 83

Tabla 4.3 Pesos de las rocas para las diferentes capas del modelo 100

Tabla 4.4 Anchos de las bermas en modelo y prototipo 103

Tabla 4.5 Resumen de la relación de parámetros de diseño, modelo-prototipo 104

Capitulo 5 Ensayos, Procesamiento y Análisis de resultados Tabla 5.1 Señales de oleaje para cada ensayo y estructura reproducida con condiciones de oleaje irregular, tanto en modelo como en prototipo 108

Tabla 5.2 Programa de ensayos para Rompeolas sin berma (estructura tipo)

109

Tabla 5.3 Programa de ensayos para Rompeolas con diferentes ampliaciones de berma 109

Tabla 5.4 Análisis de resultados para el rompeolas sin berma (rompeolas tipo) 129

Tabla 5.5 Análisis de resultados para el rompeolas con la primera ampliación de berma 129

Tabla 5.6 Análisis de resultados para el rompeolas con la segunda ampliación de berma 129

Tabla 5.4 Análisis de resultados para el rompeolas con la tercera ampliación de berma. 129

Anexo Tabla A.1 Números adimensionales en flujos 144

Tabla A.2 Variables de frontera, fluido y flujo 146

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SIMBOLOGÍA

a : Altura de ola

b : Ancho del rompeolas

B : Ancho de la corona del rompeolas

B/L : Ancho relativo de la corona del rompeolas.

C : Celeridad o velocidad de propagación de la ola.

Cn : Porcentaje de excedencia.

d : Profundidad del agua.

Dn50 : Diámetro medio o nominal de la roca de la capa de coraza.

d/L : Profundidad relativa del agua.

E : Energía total de la ola.

Ec : Energía Cinética.

Ep Energía Potencial.

Ec : Escala de celeridades de ola.

EF : Escala de fuerzas.

EH : Escala de alturas de ola.

ELO : Escala de longitudes de ola.

ELH : Escala de líneas Horizontal.

ELV : Escala de líneas vertical.

ET : Escala de Periodos. EW : Escala de pesos. f : Frecuencia de ola, f = 1/T. fm : Frecuencia pico. g : Aceleración de la gravedad. h : Nivel de coronamiento. H : Altura de ola.

H/L : Relación de esbeltez de la ola.

H1/10 : Promedio del décimo de las alturas más altas de un registro u ola decenal.

Hi : Altura de ola incidente.

Ho : Altura de ola en aguas profundas.

Hs : Altura de ola significante.

Ht : Altura de ola transmitida.

HMAX : Altura de ola máxima de un registro dado.

db : Profundidad del agua cuando se presenta la rompiente.

KD : Coeficiente de Estabilidad.

K : Coeficiente de capa.

L : Longitud de ola.

Lf : Longitud promedio de la base del enrocamiento.

Ln : Longitud de un número de olas.

Mn : Momento espectral de orden n.

M : Momento de transición.

n : Número de elemento de cada capa.

N : Número de elementos por unidad de área.

NL : Escala de longitud sin distorsión, cuando se tiene un modelo sin

distorsión.

N0 : Escala de longitud con distorsión.

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P : Permeabilidad de la estructura.

PE : Permeabilidad de Excedencia.

Qp : Pico Espectral.

q : Descarga significativa de rebase del oleaje.

Rc : Elevación de la estructura por encima del nivel de agua

(freeboard)

Ru : Ascenso de la ola (run-up).

Ru2% : Nivel de run-up excedido por un 2 por ciento de excedencia.

RP : Ascenso de la ola asociado por la probabilidad de excedencia PR.

Rd : Descenso de la ola (Run-down).

s : Pendiente del talud del rompeolas.

S : Forma del talud del rompeolas dañado.

Ss : Densidad de los sólidos.

S(f) : Función de la densidad espectral.

S(W) : Máximo maximorum del espectro.

t : Tiempo.

T : Periodo de la ola.

T1/3 : Periodo de ola significante.

T1/10 : Periodo de ola un décimo.

Tmáx : Periodo de ola máxima.

Ť : Periodo medio o promedio

Top : Periodo óptimo.

W : Peso de los elementos.

Letras Griegas.

Variación del perfil de la ola.

: Peso especifico del agua

: Densidad del agua

r : Densidad de la roca.

r : Factor de reducción del run-up.

s : Peso especifico de los elementos de enrocamiento.

: Angulo de inclinación del talud de la estructura.

n : Angulo de propagación del oleaje con respecto a la horizontal.

: Angulo del talud de la estructura con respecto a la horizontal.

: Numero pi.

n : Frecuencia Angular.

: Parámetros de anchura espectral.

: Parámetro de similitud de rompiente o número de Iribarren.

m : Parámetro de similitud de rompiente en aguas profundas.

o : Parámetro de similitud de rompiente basado en el periodo

espectral.

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RESUMEN

Para que los sistemas portuarios del país sean funcionales y operativos, se requiere que cada uno de sus puertos sean eficientes, para esto, se debe contar con la infraestructura necesaria, adecuada y en óptimas condiciones; dentro de esta, y siendo de vital importancia, se tienen las obras de protección (rompeolas y escolleras), que tienen como función minimizar la incidencia del oleaje y con esto generar una zona de calma dentro del puerto para que las embarcaciones puedan realizar sus operaciones de carga y descarga de mercancías. Por tal motivo, es de gran importancia conocer su comportamiento bajo la incidencia del oleaje.

Algunas de estas obras de protección en México, fueron construidos a finales del siglo XIX y principios del XX, teniendo con esto daños en su estructura, además de presentar cotas bajas de coronamiento, generando con esto problemas en la zona portuaria.

Dentro del estado del arte se encontraron los rompeolas de berma, estudiados y construidos en diferentes países del mundo. Los cuales han tenido gran funcionalidad para mitigar el oleaje y al mismo tiempo, presentar costos más económicos de construcción comparado con rompeolas convencionales de enrocamiento.

Por lo tanto, como una alternativa de solución, se estudiaron las bermas como implementaciones a los rompeolas con daños y con cotas bajas de coronamiento para ser rehabilitados y mejorar su operatividad y funcionalidad.

Para el estudio de esta alternativa se efectuó un modelo físico reducido en un canal de oleaje angosto con generador de oleaje irregular ubicado en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional, donde se empleó un equipo de medición de oleaje controlado por computadora para recabar y posteriormente analizar los datos de oleaje obtenidos. En cada ensayo se evaluó el rebase del oleaje (overtopping); además se empleo equipo de fotografía y video para registrar los efectos del oleaje sobre la obra de protección, y un perfilador de fondo manual para obtener el perfil de la sección después de cada ensayo y conocer el comportamiento y estabilidad de la estructura (para cada berma).

En el estudio se consideró una sección de un rompeolas promedio en México (sección o estructura tipo) y tres secciones de ampliaciones de berma (la primera con talud de 2:1 y ancho de corona de 10 metros, la segunda con un talud 2:1 y ancho de 20 metros, y una tercera con un talud 1.5:1 y ancho de corona de 20 metros). La primera y segunda berma se sometió a una incidencia de 11,000 olas; mientras que la tercera berma a 12,000 olas; en las cuales se fueron variando la altura y periodo de estas (de menor a mayor) hasta obtener una estabilidad dinámica de cada una de las bermas, frente al embate de oleaje de tormenta.

De los análisis de resultados se obtuvieron gráficos del comportamiento del rebase del oleaje utilizando varios métodos encontrados en el estado del arte como: (Owen, Jorgen Juhl y Peter Sloth, y van der Meer utilizando para este último dos criterios), y la estabilidad de las diferentes bermas, comprobándose además, que estás son una solución al problema actual de las estructuras de protección (minimización del rebase del oleaje) y que su grado de eficiencia dependerá del ancho y talud de las mismas.

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ABSTRACT

For that the country's Port System it would be functional and operational, it requires that each one of its ports it would be efficient, for this, it must have the necessary infrastructure, adequate and in optimal conditions, within of this; it being of vital importance, we have the protection works (breakwaters and jetties), which have the function of to minimize the incidence of this wave and create a quiet zone within the port, so that, the ships can perform their operation of loading and unloading of goods. Therefore, it is of great importance to know their behavior under the impact of storm waves.

Some of these protection works in Mexico were built in the end of nineteenth century and beginning of twentieth century; so this structure have some damages, besides its low crown heights, generating problems with this in the port area.

Within the state of the art it was found the breakwater of berm, they were constructed and studied in different countries of the world. Which have had great functionality to mitigate the wave and at the same time, they present more economical construction costs compared to conventional breakwaters.

Therefore, as an alternative of solution, it was studied the berm breakwater as an actualization of the old breakwater as a solution of its damages and lower levels of its crown, to be rehabilitated and to improve their operability and functionality.

To study this alternative was constructed a reduced physical model of an breakwater in a narrow channel with irregular wave generator, located in the Hydraulic Engineering Laboratory of the Superior School of Engineering and Architecture, Zacatenco Unit of the National Polytechnic Institute, where it was employed a wave measurement equipment controlled by computer and then analyze the data wave obtained. In each tests it was evaluated the overtopping; also it was used photography and video equipment to record the effects of waves on the protection work, and a manual profiler depth, in order of to get the profile of the structure section after each test and understand the behavior and stability of the structure (for each berm).

In the study was considered an average section of a breakwater in Mexico (section or type structure) and three sections of berm (the first with slope of 2:1 and crown width of 10 meters, the second with a slope 2: 1 and width of 20 meters, and the third with a 1.5:1 slope and crown width of 20 meters). The first and second berm were putted to an incidence of 11,000 waves, while the third berm to 12,000; in this waves were interchanged the height and period wave, this was done to obtain the dynamic stability of each one with the interaction of storm wave.

From the results analysis were obtained graphs of the behavior of the wave (overtopping) using several methods found in the state of the art: (Owen, Jorgen Juhl and Peter Sloth, and Van der Meer, using the last one two criteria), and the stability of the different berms, also was checked that they are a solution to the problem of protection works (minimizing the overtopping) and that their efficiency depends on the width and slope of the same.

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INTRODUCCIÓN

Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza dentro del campo de la hidráulica son tan complejos que no es fácil tratarlos únicamente con métodos matemáticos. Por lo anterior, es conveniente recurrir al empleo de técnicas experimentales, como herramientas para la obtención de soluciones prácticas aplicadas a problemas de Ingeniería.

Durante años, los modelos físicos han sido una herramienta importante para resolver problemas en la Ingeniería Hidráulica. En la actualidad se disponen de técnicas avanzadas y muchas otras sofisticadas para la modelación física de fenómenos hidráulicos; permitiendo predecir con alto grado de certidumbre lo que puede ocurrir en el prototipo y por consiguiente obtener los mejores resultados de funcionalidad, estabilidad, diseño, economía, entre otras ventajas, obteniendo con esto un mejor conocimiento y diseño de las obras y estructuras por construir.

Por todo lo anterior, es de suma importancia utilizar modelos hidráulicos, ya que estos nos permitirán obtener los resultados buscados antes de realizarse la obra, dejándonos como antecedente las posibles fallas y soluciones que se necesiten para la realización óptima de ésta.

Al ser las actividades marítimas en México un factor indispensable para el desarrollo nacional, es eminente la necesidad de tomar como estudios relevantes a las obras portuarias.

Dentro de estas, encontramos obras de protección, que tienen la finalidad de proteger la costa y crear condiciones de abrigo y de calma necesarias en las áreas de agua del puerto para obtener condiciones de seguridad a la navegación y maniobras de los buques.

Actualmente en algunos puertos se tienen obras de protección con más de 100 años de construcción, baja cota de coronamiento y ciertos daños en su estructura, teniendo con esto problemas de rebase con oleaje de tormenta, presentando así inconvenientes en el manejo de las diferentes mercancías. Por esto, se realizó un estudio experimental en modelo físico reducido con varias propuestas de ampliaciones de berma como alternativa de solución a esta problemática.

Para el estudio e investigación de la presente Tesis, el trabajo se dividió en seis capítulos de la siguiente manera:

En el Capítulo 1, se realiza una descripción de la obras de protección en México, su definición, clasificación y características de estas, principalmente de los rompeolas, también trata acerca del oleaje irregular, sus parámetros, algunos espectros de oleaje y la historia de estos.

En lo que concierne al Capítulo 2, trata sobre los efectos causados por el oleaje sobre las obras de protección. Estos efectos son de suma importancia para el diseño y construcción de este tipo de obras. Dichos efectos están representados principalmente por el ascenso y descenso de la ola, rompiente del oleaje y la transmisión del oleaje (transmisión a través de la estructura y transmisión por rebase (overtopping), se

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mencionan además algunas de sus características, así como de sus principales investigadores.

En el Capítulo 3, se describen: el comportamiento de las obras de protección (rompeolas) con ampliación de berma, características, parámetros, diseños, principales investigadores, estudios realizados para estas obras, así como países con este tipo de estructuras, etc.

En el Capítulo 4, se describe el modelo físico experimental. Se presentan las actividades realizadas para el diseño y construcción del modelo físico reducido, así como también las instalaciones, el equipo y la instrumentación para llevar a cabo el estudio.

Dentro del capítulo 5, se establecen básicamente la descripción de los ensayos, el programa y procedimiento de estos, el procesamiento de los resultados y el análisis de los mismos. De igual manera se validaran algunas ecuaciones para el rebase del oleaje encontrados en el estado del arte.

Finalmente en el Capítulo 6, se establecen las conclusiones y recomendaciones que se obtuvieron, aportando nuevas líneas de investigación y alternativas de solución para el problema de antiguos rompeolas dañados, así como para rompeolas con baja cota de coronamiento que permiten el rebase del oleaje (overtopping) en condiciones de tormenta; además se presentan los resultados de los perfiles obtenidos durante la terminación de cada berma probada.

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JUSTIFICACIÓN

México forma parte de una de las mayores zonas comerciales del mundo, además, tiene una excepcional ubicación geográfica que lo convierte en un vínculo natural entre América del Norte, Centro y Sudamérica, así como entre las Cuencas del Pacífico y del Atlántico.

De esta manera, tenemos que los puertos son fundamentales para el apoyo del crecimiento de cualquier nación, pues en ellos se realizan actividades de comercio marítimo, industrial, pesquero y turístico, convirtiéndose así en importantes polos de desarrollo.

En México se realizan actividades de intercambio comercial que se desarrollan principalmente por la vía marítima a través de los puertos, los cuales deben brindar instalaciones y servicios de calidad; para lo cual, deben de contar con obras de protección adecuadas que den seguridad y resguardo tanto a las embarcaciones atracadas como a las instalaciones y servicios con las que cuenta el recinto portuario. Además, actualmente los puertos en México manejan más carga, por lo que necesitan estar mejor protegidos de manera adecuada para operar el mayor tiempo posible; por lo tanto es necesario que las obras de protección como es el caso de los rompeolas sean cada vez más eficientes.

Las obras de protección portuaria (rompeolas y escolleras), son estructuras fundamentales para la operación de los puertos, motivo por el cual es de gran importancia que las obras de viejos puertos sean actualizadas para garantizar su adecuado funcionamiento.

Actualmente y debido a que algunos rompeolas en los puertos Mexicanos son muy antiguos, ya que fueron construidos a principios del siglo pasado, y a los frecuentes eventos meteorológicos, estos presentan daño en su estructura, además también de tener bajas cotas de coronamiento (4.5 metros o menos), permitiendo que la ola rebase al rompeolas (overtopping), lo que ocasiona que el oleaje de tormenta afecte considerablemente a las operaciones portuarias, presentándose así, agitación en el recinto portuario, y ocasionando que los buques no puedan realizar sus actividades de carga y descarga de productos y mercancías, generando así, pérdidas económicas, de equipo, instalaciones, y algunas veces, de vidas humanas.

Motivos por los cuales, se consideró pertinente un estudio en un modelo físico reducido de un rompeolas de enrocamiento con cota de coronamiento baja (4.5 metros), proponiendo la rehabilitación de la obra de protección con una implementación de bermas adosadas al talud lado mar de dicho rompeolas.

Pretendiendo con esto minimizar el rebase del oleaje (overtopping), y así mismo disminuir los costos de construcción, ya que estas son rocas de menor tamaño; es decir, más pequeñas comparadas con las rocas de la capa de coraza o la implementación de elementos artificiales como rehabilitación del rompeolas.

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OBJETIVOS

El objetivo principal de este trabajo, consistió en realizar un estudio experimental de un modelo físico reducido de un rompeolas superficial permeable con características de los rompeolas construidos a principios del siglo pasado, con cotas de coronamiento bajas (aproximadamente 4.5 metros), que así mismo se encuentran dañados presentando rebase de oleaje en condiciones de tormenta (estructura tipo), a lo cual se le implementará una berma con dos diferentes anchos de corona de 10 y 20 metros, y dos taludes diferentes de 1.5:1 y 2:1 para conocer mediante el análisis y experimentación su comportamiento, y de esta manera establecer el diseño más adecuado para este tipo de estructuras ante la incidencia de oleaje irregular extremo.

Objetivos particulares:

Probar algunas secciones de berma para el rompeolas y conocer su comportamiento y perfil dinámico estable.

Comprobar la hipótesis planteada, realizando un modelo físico reducido de un rompeolas superficial permeable de enrocamiento, dentro de un canal de oleaje angosto.

Elaborar un documento actualizado sobre el conocimiento existente de los rompeolas con ampliación de berma bajo la incidencia del oleaje irregular.

Medir la descarga de agua debida a los rebases de ola en las diferentes estructuras ensayadas y validar las ecuaciones localizadas en el estado del arte para el rebase del oleaje con diferentes criterios.

Obtener los perfiles de las diferentes bermas en estudio y conseguir con esto el comportamiento de los perfiles dinámicos estables mediante gráficas de estas secciones.

Adquirir los resultados óptimos proporcionando la validación de estructuras y mencionando el comportamiento de cada estructura ensayada citando la de mejor resultado y así mismo, aportar nuevas líneas de investigación.

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HIPÓTESIS

Algunos rompeolas que han sido construidos en México a principios del siglo pasado son muy antiguos y en la actualidad presentan algunos daños en su estructura, además de presentar también cotas de coronamiento bajas, y como consecuencia permiten el rebase del oleaje en condiciones de tormenta.

Los rompeolas con ampliación de berma son una posible solución a lo dicho anteriormente, ya que con la berma se reducirá el rebase del oleaje y así mismo permitirá rehabilitar este tipo de obras de protección portuaria.

Con base a lo anterior podemos plantear como hipótesis lo siguiente: “ “AAttrraavvééssddeelleessttuuddiioo eennuunnmmooddeellooffííssiiccoorreedduucciiddoossee ppuueeddee ddeemmoossttrraarrqquueeuunn r roommppeeoollaass ccoonn aammpplliiaacciióónn ddee bbeerrmmaa eess uunnaa aalltteerrnnaattiivvaa ddee ssoolluucciióónn ppaarraa r reehhaabbiilliittaarrvviieejjoossyyddaaññaaddoossrroommppeeoollaass ccoonnvveenncciioonnaalleess,,yy aassíímmiissmmoo,, ddiissmmiinnuuiirr e ellrreebbaasseeddeelloolleeaajjeeeennccoonnddiicciioonneessddeettoorrmmeennttaa””..

Es menester por lo tanto, mencionar que hasta la fecha, este tipo de rompeolas con ampliación de berma no han sido construidos en nuestro País, por lo que con el

presente estudio se pretende conocer el comportamiento de este tipo de estructuras de protección, que a su vez puede ser una alternativa de solución para rompeolas viejos, dañados y con baja cota de coronamiento.

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METODOLOGÍA.

En Lebedinsky (1982), se menciona que el método, en su sentido más amplio significa el camino, la forma de arribar a una meta, y, por lo tanto, los pasos sucesivos necesarios que es preciso dar para llegar a buen término en la senda del desarrollo intelectual; además también, se tiene que etimológicamente significa esfuerzo para alcanzar un fin. Así mismo, la Enciclopedia Filosófica Soviética coincide en que método es el camino de la investigación, del conocimiento; siendo una forma práctica y teórica de asimilar la realidad, partiendo del movimiento sujeto a leyes del objeto estudiado. De esta manera, el método es científico cuando es instrumento que refleja verdaderamente las leyes del mundo objetivo, cuando define las particularidades del objeto estudiado y las leyes de su desarrollo.

Con lo anterior se tiene, que para la comprobación de la hipótesis antes mencionada se planteó un procedimiento metodológico compuesto por los siguientes puntos:

1. Investigación del estado del arte. (revisión de documentos referentes al fenómeno de investigación para posteriormente ser analizados y clasificados mediante fichas bibliográficas y de trabajo).

2. Acondicionamiento de las instalaciones e instrumentación a utilizar.

3. Obtención y clasificación del material rocoso para las diferentes capas de las estructuras a ensayar.

4. Construcción de un modelo físico reducido de un rompeolas superficial permeable con las condiciones promedio de los actuales rompeolas en México y después con ampliaciones de berma.

5. Calibración del modelo y de las condiciones de ensayo de las diferentes pruebas. 6. Ensayos con cada una de las secciones propuestas, medición del rebase de

oleaje y perfilado en cada ensayo. Así como, la observación del comportamiento de la estructura en estudio.

7. Procesamiento y análisis de resultados producto de los diferentes ensayos.

8. Obtención de resultados y comparación con diferentes criterios de rebase de oleaje (overtopping).

Por último, la obtención de conclusiones, recomendaciones y posibles líneas de investigación.

(30)

CAPÍTULO 1. OBRAS MARÍTIMAS DE PROTECCIÓN.

El agua de los océanos, por sí misma, representa un valioso recurso, ya que las actividades marítimas en el mundo son un sustento indispensable para el desarrollo y crecimiento económico de los diferentes países que se encuentran inmersos en esta.

Así, de esta manera, se tiene que los puertos son fundamentales para el apoyo del crecimiento de cualquier nación, pues en ellos se realizan actividades de comercio marítimo, industrial, pesquero y turístico, convirtiéndose así en importantes polos de desarrollo.

En México se realizan actividades de intercambio comercial que se desarrollan principalmente por la vía marítima a través de los puertos, los cuáles deben brindar instalaciones y servicios de calidad; para lo cual, deben de contar con obras de protección adecuadas que den seguridad y resguardo tanto a las embarcaciones atracadas como a las instalaciones y servicios con las que cuenta el recinto portuario. Además, actualmente los puertos en México manejan más carga, por lo que necesitan estar protegidos de manera adecuada para operar el mayor tiempo posible; por lo tanto, es necesario que las obras de protección como los rompeolas sean cada vez más eficientes.

Al ser las actividades marítimas en México un soporte para el desarrollo nacional, y debido a que los puertos de México se han vuelto estructuras esenciales en la economía del país, al realizarse un comercio internacional más intenso, es eminente la necesidad de tomar en consideración estudios relevantes y diseños óptimos en las obras portuarias de protección.

Las obras de protección tienen una gran importancia en relación al sistema portuario, así como en termoeléctricas, abrigo a embarcaciones o playas turísticas. Dentro de sus funciones está el de proteger la costa contra la acción de los fenómenos oceanográficos, pues proporciona la protección necesaria a un puerto permitiéndole un funcionamiento eficiente; ya que modifica las condiciones del oleaje disipando gran parte de su energía. También protege las costas evitando la erosión en playas, o protegiendo la comunicación entre el mar y otros cuerpos de agua, como ríos, lagunas y estuarios. Se puede afirmar que en todas y cada una de las actividades señaladas anteriormente tiene injerencia el Ingeniero Civil, bien sea directa o indirectamente. Así por ejemplo, para la navegación intervienen en el dimensionamiento, proyecto, diseño y construcción de las diferentes estructuras de un sistema portuario o Termoeléctrica; es así, evidente su participación en la explotación de recursos ya que de manera general, tiene que ver con el proyecto de las instalaciones que permitan la obtención de ellos; de igual forma es imprescindible la presencia de la Ingeniería Civil para crear la infraestructura que permita realizar las actividades correspondientes a la recreación de la población. Obviamente la participación del Ingeniero Civil en el aprovechamiento del medio marítimo, se da a través de varias disciplinas entre ellas por ejemplo la hidráulica marítima y la ingeniería portuaria.

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1.1 TIPOS DE OBRAS DE PROTECCIÓN COSTERA SEGÚN SU FUNCIÓN

Manley (1998), establece que una definición acerca de las obras de protección puede ser la siguiente: estructuras destinadas a proteger alguna zona específica de la costa contra la acción destructiva de los diferentes fenómenos oceanográficos, principalmente el oleaje.

Las obras de protección costera se pueden clasificar de acuerdo a la función que desempeñan. Se tienen tres tipos de estas obras que de acuerdo a su función son: Escolleras: estas estructuras son construidas y diseñadas sobre la costa, para encausar o mantener en contacto algún cuerpo de agua (río, laguna o estuariol) con el mar, y controlar el transporte litoral (azolve), así como también la protección del oleaje. [DACE, 1984], [C.F.E., 1983] (ver figuras 1.1 y 1.2)

ESCOLLERA

CANAL DE ACCESO

ESCOLLERA

Figura. 1.1 Ejemplo de Escollera. [SCT - MDP, 2001]

Figura. 1.2 Escolleras del puerto de Coatzacoalcos, Veracruz.

Espigones: son estructuras que se construyen generalmente en forma perpendicular a la línea de costa con el fin de evitar la erosión ocasionada por el transporte litoral, o para la protección de una zona destinada a un puerto que solo necesite protección en un punto por encontrarse en una zona de semi-resguardo natural. [DACE, 1984], [C.F.E., 1983] (ver figuras 1.3 y 1.4)

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ESPIGÓN

PLAYA PLAYA

Figura 1.3 Ejemplo de Espigón. [SCT - MDP, 2001]

Figura. 1.4 Espigones de Algarve, Portugal. [Portugal-Travel, 2008]

Rompeolas: son estructuras construidas por lo general de elementos naturales; es decir, de roca, o bien de elementos artificiales sobre todo en su última capa, su función es la de mitigar el oleaje y con ello disipar su energía, con lo cual se genera una zona de abrigo o calma al interior del recinto portuario, logrando así, que las embarcaciones que llegan al lugar realicen sus operaciones de carga y descarga, así como, también evitar o reducir el azolvamiento en las zonas de acceso, maniobras de atraque y operación, disminuyendo el transporte litoral hacia estas importantes zonas (Ver figuras 1.5 y 1.6). [Ruiz, 2006], [Peña, 2005], [Taboada, 2007]

ROMPEOLAS