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La Clave | El complejo mundo de los puertos 2
Renovación del Laboratorio de Experimentación Marítima del Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX
José María Valdés Fernández de Alarcón
Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX-CEPYC)
José María Grassa Garrido
Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX-CEPYC)
En el presente artículo se describe la evolución del Laboratorio de Experimentación Marítima, destacando los hitos más significativos desde su origen como Laboratorio de Puertos de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos hasta su reciente renovación, realizada en gran medida a partir de las obras de reconstrucción que —a causa del colapso de la cubierta sufrido durante la tormenta de nieve Filomena en enero del año 2021— fue necesario acometer para recuperar esta actividad en el CEDEX. Complementariamente, se describen las diferentes instalaciones y equipamientos de los que dispone el Laboratorio tras su renovación.
Palabras clave: Modelo físico, ensayo, tanque multidireccional, instalación singular
This paper describes the evolution of the Maritime Experimentation Laboratory, highlighting the most significant milestones, from its origin as the Port Laboratory of the School of Civil Engineers, Canals and Ports to its recent renovation, largely carried out from the reconstruction works that, due to the collapse of the roof suffered during the Filomena snowstorm in January 2021, were necessary to undertake for the recovery of this activity at CEDEX. In addition, the different facilities and equipment available to the Laboratory after its renovation are described.
Keywords: Physical model, test, multidirectional tank, unique installation, flume.
La realización de ensayos en modelo físico a escala reducida constituye una herramienta muy eficaz para el estudio de soluciones en el ámbito de la ingeniería portuaria y costera. Para la realización de este tipo de estudios, el Laboratorio de Experimentación Marítima del Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX dispone de unas instalaciones y un equipamiento cuya característica principal es su versatilidad para cubrir un amplio rango de capacidades en cuanto a dimensiones y sistemas de generación de oleaje, lo que permite adaptarlas a diferentes tipos de estudios.
Historia del Laboratorio
El Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del CEDEX, en el cual se integra el Laboratorio de Experimentación Marítima (LEM), fue inaugurado en 1951 como Laboratorio de Puertos de la Escuela Especial de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos; con la creación del CEDEX en 1957 pasó a formar parte del mismo, siendo su primer director el profesor Iribarren (1900-1967), reconocido internacionalmente como uno de los padres de la ingeniería de puertos y costas.
En 1981, ya como centro dependiente del CEDEX, se inauguraron las nuevas dependencias del CEPYC en su ubicación actual en la calle Antonio López 81; estaban formadas por un edificio de oficinas y una nave anexa que alberga las instalaciones y los equipos del Laboratorio de Experimentación Marítima. En su primera etapa de funcionamiento, entre los años 1981 y 1990, el Laboratorio fue equipándose con la construcción de diferentes canales y tanques de oleaje dotados de los necesarios dispositivos para la generación de oleaje.
Entre los años 1990 y 1999 se consiguió dar un importante impulso a las instalaciones de ensayo con la construcción de un tanque de oleaje multidireccional y un canal de gran escala. Complementariamente, en esta etapa se llevó a cabo la adquisición de un simulador de maniobra de buques y se puso en marcha el Laboratorio de Calidad del Medio Marino. Con este conjunto de instalaciones, el CEPYC se situó a la altura de otros importantes centros a nivel internacional de similares características.
Entre los años 2000 y 2010 se añadieron algunas instalaciones, como el tanque para estudios de dilución de efluentes en el medio marino, así como la implementación, en el canal de gran escala, de un dispositivo para la generación de viento.
A partir del año 2017 y hasta la actualidad, se ha acometido la renovación y actualización de las características y capacidades de algunas instalaciones de ensayo del Laboratorio, como son el tanque de oleaje multidireccional y el simulador de maniobra de buques.
Reconstrucción de la cubierta
Además de la evolución que afecta a la mejora de las instalaciones, hay que destacar, como hito de gran importancia en la historia del LEM, el colapso de la cubierta de la nave de ensayos, que se produjo durante la intensa nevada sucedida con la tormenta Filomena el día 9 de enero de 2021.
El estado de la nave de ensayos tras el colapso supuso la paralización de la actividad de modelos físicos hasta octubre de 2023, con la finalización de la reconstrucción de la cubierta y la puesta en marcha de las instalaciones. Las obras de reconstrucción de la cubierta comenzaron en agosto de 2021 con una primera fase de retirada de la estructura colapsada, y finalizaron en octubre de 2023. La nueva cubierta se compone de una estructura metálica sustentada mediante soportes, también metálicos, que apoyan sobre cimentación de micropilotes y están encepados por el exterior de los cerramientos originales de la nave.
Como consecuencia del colapso y de la exposición a la intemperie de las instalaciones durante un tiempo prolongado, algunos equipos e instalaciones resultaron dañados; por ello, fue necesario también acometer las correspondientes reparaciones que permitieran la recuperación de los mismos.
La recuperación funcional del edificio requirió además la renovación de diversos elementos afectados (puentes grúa, casetas de control, ascensor), así como la instalación eléctrica, adaptándola a las actuales normativas e incluyendo la instalación de paneles solares. Adicionalmente, se implementaron también sistemas de seguridad de diversa índole. Cabe destacar asimismo la reconstrucción de la red de pasarelas superiores, integradas en las cerchas de la estructura, de gran utilidad para la visualización cenital del funcionamiento de los modelos.
Tras la recuperación de la nave de ensayos en octubre de 2023 y la puesta en marcha de las diferentes instalaciones y equipos, la actividad en el LEM se ha recuperado prácticamente por completo y ya se han realizado diversos estudios en modelo físico:
- ensayos de agitación y barcos atracados sobre la nueva terminal Norte del puerto de Valencia, para Puertos del Estado y la Autoridad Portuaria de Valencia;
- ensayos en modelo físico para el estudio de la respuesta frente al oleaje de un dispositivo para almacenamiento de hidrógeno tipo GBS, para ACCIONA;
- ensayos en modelo físico para el estudio de la rebasabilidad y estabilidad del dique longitudinal de defensa del ferrocarril en el Maresme (Barcelona), para ADIF;
- ensayos de agitación y barcos atracados sobre la ampliación de la dársena de África del puerto de Las Palmas, para Puertos del Estado y la Autoridad Portuaria de Las Palmas (en ejecución);
- evolución de averías en diques en talud, una actuación de I+D+i para Puertos del Estado (en ejecución); y
- ensayos en modelo físico sobre la recuperación de la playa de Portmán, para la Dirección General de la Costa y el Mar.
Instalaciones de ensayo
1. Instalaciones singulares
El LEM dispone de varias instalaciones singulares que destacan por su alta capacidad para la realización de estudios en modelo físico de obras marítimas.
A. Tanque de oleaje multidireccional
Fue construido en 1995, y en 2019 se realizóuna importante renovación, dotándolo de mayor capacidad e introduciendo diversas mejoras.
Dispone de un generador de oleaje constituido por 64 palas, así como un sistema de absorción activa de reflexiones tridimensional. Además, un sistema automatizado de llenado y vaciado permite considerar el efecto de las mareas durante los temporales de oleaje.
Mediante esta instalación es posible conseguir un mayor nivel de realismo en la modelización de los problemas de ingeniería marítima al permitir la generación de oleajes cruzados, de crestas cortas o largas, con cualquier reparto direccional de energía. Sus dimensiones, 34 x 32 m y 2,00 m de profundidad, permiten utilizar escalas muy favorables para la realización de modelos tridimensionales (1:20 – 1:40).
Es una instalación idónea para estudios en modelo físico tridimensional de obras portuarias y costeras. Entre los estudios realizados en esta instalación cabe destacar los ensayos sobre el dique de Langosteira en La Coruña, el dique para la ampliación del puerto de Escombreras, y los diques Este y Sur de la ampliación del puerto de Barcelona, así como, en el ámbito de costas, el estudio en modelo físico para la recuperación de la playa de La Zurriola (San Sebastián).
B. Canal de gran escalade oleaje y viento
El canal de oleaje para ensayos a gran escala, de 90 m de longitud y 3,60 m de anchura, con una profundidad de 6 m en la zona de generación y 4,50 m en la zona de ensayo, fue inaugurado en 1999.
Dispone de un generador de oleaje de pala rotacional oleohidráulica con trasdós en seco, con capacidad para generar oleajes de hasta 1,60 m de altura de ola máxima. La generación de oleaje cuenta con un sistema de absorción activa de reflexiones, así como un puente grúa de 10 t y un depósito con capacidad de 1000 m3.
El túnel de viento que complementa la instalación se instaló en 2009. Este dispositivo posibilita incorporar el efecto del viento como agente adicional al oleaje, lo que permite modelizar un escenario más exigente en estudios de comportamiento de estructuras marítimas, como es el caso del rebase del oleaje sobre obras portuarias, o en estudios de algunos tipos de estructuras especiales en los que la acción del viento resulte relevante (p.ej., generadores de energía eólica offshore).
En este canal se han realizado estudios para la verificación del diseño de importantes obras de abrigo a escalas en torno a 1:10 a 1:25, destacando el dique del este del puerto de Barcelona, el dique del puerto Exterior de Ferrol y el dique de Langosteira en La Coruña.
Debido a su capacidad para modelizar estructuras a gran escala, se han realizado diversos estudios de I+D+i sobre tipologías innovadoras de obras singulares (diques y muelles antirreflejantes), así como de estructuras para la eólica offshore.
C. Simulador de maniobra de buques
El Laboratorio de Experimentación Marítima cuenta también con una Unidad de Maniobra de Buques, que dispone de un simulador en tiempo real para la realización de estudios de maniobra de buques con el fin de complementar el diseño portuario desde el punto de vista de la navegación.
Este simulador permite realizar maniobras de buques en las operaciones de entrada, salida, atraque y desatraque bajo diferentes condiciones ambientales (oleaje, viento, corrientes) valorando la necesidad de ayuda de remolcadores en condiciones medias y límite, así como analizar maniobras en situaciones de emergencia. Asimismo, se llevan a cabo simulaciones para el análisis de accidentes e incidentes marítimos.
En 2023 se procedió a la renovación y actualización de los equipos de simulación, disponiéndose actualmente de un software más avanzado (sistema K-SIM, desarrollado por Kongsberg Norcontrol Simulation de Noruega), junto con nuevos equipos de manejo. Con el sistema recientemente renovado se están abordando ya algunos estudios, como el estudio de maniobras para la optimización de remolcadores en el puerto de Motril, y el estudio para la seguridad de los accesos al muelle comercial en Puerto del Rosario.
2. Otras instalaciones
Además de las citadas instalaciones singulares, el LEM dispone de una serie de tanques y canales de oleaje de diferentes dimensiones para la realización de estudios de ingeniería marítima a escala reducida, cuyas características se resumen a continuación.
- Tanques de 6,5 m de anchura: el LEM dispone de dos tanques de ensayo de 35 y 45 m de longitud y 6.50 m de anchura con profundidades de 0,80 y 1,50 m respectivamente. Estos tanques de oleaje son de gran utilidad para estudios en modelo físico de puntos singulares de diques de abrigo (morros, cambios de alineación) y obras costeras (paseos marítimos, protección de costas), considerando la incidencia tanto frontal como oblicua del oleaje sobre las obras. Las escalas habituales en estudios realizados en estos tanques son del orden de 1/30 a 1/40.
- Canal de 3 m: este canal, de unas dimensiones de 36 x 3 m y 1,50 m de profundidad, está dedicado a la realización de ensayos bidimensionales de estabilidad y funcionalidad de estructuras marítimas, tanto portuarias (diques, muelles) como obras de protección de costas, utilizando escalas en el entorno de 1/20 a 1/40. Está construido en estructura metálica con paramentos laterales de vidrio, lo que permite una visualización lateral de los fenómenos de propagación e interacción del oleaje-estructura. Dispone de absorción activa de reflexiones y de una playa amortiguadora en el extremo opuesto al generador.
- Canal de 1 m: este canal, de configuración similar al anterior, aunque de menor anchura (51 x 1,0 m y 1,50 m de profundidad), permite la realización de ensayos bidimensionales en el ámbito portuario y costero. Dispone de un carro móvil para instrumentación con posicionamiento automático sobre el canal.
- Canal de oleaje y corrientes: canal de dimensiones aún más reducidas (20 x 1,20 m y 0,80 m de profundidad), es utilizado principalmente para estudios de hidráulica medioambiental marina.
3. Espacio para construcción de modelos tridimensionales
Además de las instalaciones fijas, la nave de ensayos cuenta con un amplio espacio, de unos 3000,00 m2, para la construcción de modelos físicos en recintos específicos para cada caso.
Este espacio se utiliza principalmente para modelos físicos en los que se realizan estudios sobre el diseño en planta de los puertos, analizándose el grado de abrigo de las dársenas interiores y el comportamiento de los buques atracados, obteniéndose resultados relacionados con el grado de operatividad de los atraques.
Instrumentación y equipos
En los últimos años se han ido renovando y actualizando los diversos dispositivos utilizados para la medida de las diferentes variables que intervienen en los fenómenos que se reproducen en los modelos físicos.
El Laboratorio cuenta con la instrumentación necesaria para la medida de las acciones generadas (principalmente el oleaje), así como para la medida de la respuesta de las estructuras que son objeto de ensayo: sondas de medida de oleaje, correntímetros, captadores de presión para medida de presiones sobre los paramentos de las estructuras, células de carga para medidas de esfuerzos y momentos producidos por la acción del oleaje, y sistema óptico para medida de movimientos de buques y de estructuras flotantes.
Para modelos físicos de evolución de playas y de estabilidad de obras marítimas de materiales sueltos, se dispone de un escáner con el que se realiza el levantamiento de las superficies modificadas por la acción del oleaje.
Mediante la utilización de fotografía y video, y a través de aplicaciones de tratamiento de imágenes, es posible obtener también resultados de la respuesta del modelo físico. Asimismo, el Laboratorio dispone de software y de sistemas de control avanzados para la generación de oleaje y para la adquisición y análisis de datos medidos en los ensayos.
Para la gestión y el mantenimiento de los equipos e instrumentación el LEM, cuenta con un taller de electrónica, además de talleres de apoyo para fabricar las piezas y elementos necesarios a fin de construir a escala las obras reproducidas en los modelos físicos.
Los modelos físicos son una herramienta cada vez más eficaz en la realización de estudios de ingeniería marítima
Conclusiones
La mejora de las capacidades de las instalaciones de ensayo y de los sistemas de generación de oleaje, el desarrollo de las aplicaciones informáticas y los avances en instrumentación y equipos para la adquisición de datos permiten obtener una mayor precisión en la representación a escala de los escenarios y de los fenómenos que intervienen en la interacción del oleaje con las obras marítimas y, por tanto una mayor fiabilidad de los resultados y de la respuesta del sistema frente a las acciones que caracterizan el medioambiente marino, principalmente la acción del oleaje y las variaciones del nivel del mar, el viento y las corrientes.
Es por ello por lo que la renovación y actualización de las instalaciones y equipos con los que se realizan este tipo de estudios, si bien conllevan unos requerimientos de inversiones que, en ocasiones, pueden parecer elevadas debido a la singularidad y complejidad de los estos dispositivos, constituyen una necesidad que contribuye a la mejora del conocimiento de las respuestas de las obras portuarias y costeras frente a la acción del oleaje, lo cual favorece en definitiva la optimización en el diseño de soluciones.
Por otro lado, hay que destacar la contribución de los modelos físicos al desarrollo de la modelización numérica, una herramienta cada vez más eficaz en la realización de estudios de ingeniería marítima que, para ciertos tipos de fenómenos, proporciona resultados cada vez más fiables. Para la mejora de la calidad y garantía de dichos modelos numéricos se requiere el apoyo del modelo físico en las fases de validación y calibración, lo que justifica también desde este punto de vista la necesidad de contar con técnicas avanzadas de modelización física.