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El complejo mundo de los puertos
Modelos físicos en ingeniería portuaria
Antonio Baonza González
Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX)
José M.ª Valdés Fernández de Alarcón
Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX)
José M.ª Grassa Garrido
Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX)
El diseño de las obras portuarias está condicionado por múltiples factores asociados principalmente a las condiciones climáticas y físicas del ámbito marítimo, dando lugar a un escenario altamente complejo que dificulta el diseño y la ejecución de actuaciones para la resolución de los diferentes problemas que es necesario afrontar para el desarrollo de la actividad portuaria.
En este contexto, la técnica de la modelización física a escala reducida continúa hoy día siendo la herramienta más fiable y efectiva para el análisis del comportamiento de las obras portuarias, tanto desde el punto de vista estructural como desde el punto de vista funcional, así como para la valoración de la operatividad y las condiciones de explotación de los atraques.
El objetivo de un estudio en modelo físico de ingeniería portuaria, y de ingeniería marítima en general, es predecir el comportamiento de una obra o instalación portuaria frente a la acción de los agentes climáticos marítimos. Para ello es necesario reproducir a escala reducida un determinado escenario constituido por la obra o instalación portuaria objeto de estudio, el emplazamiento en el que se encuentra y las acciones generadas por los agentes medioambientales y climatológicos que pueden actuar sobre dicho escenario, de manera que la respuesta del sistema modelizado sea también representativa de la realidad.
No hay que olvidar el importante papel desarrollado por los modelos físicos en el campo de la investigación, permitiendo encontrar soluciones de diseño innovadoras frente a los complejos fenómenos relacionados principalmente con la interacción del oleaje en las estructuras.
Consideraciones generales
Modelo y prototipo
Se entiende por ‘prototipo’ la representación de la realidad con algunas simplificaciones, obtenida a partir de mediciones realizadas en la naturaleza. El ‘modelo’, por su parte, es la representación, también simplificada, del prototipo a escala reducida.
El ensayo en modelo físico en ingeniería portuaria consiste en reproducir a escala reducida un escenario que comprende la obra portuaria objeto de estudio, la zona de emplazamiento y las acciones climatológicas y medioambientales que lo afectan (oleaje, viento, marea, corrientes), registrando la respuesta de este sistema mediante la observación y la medición de los fenómenos y efectos que se producen.
Para ello se cuenta con instalaciones de ensayo, habitualmente tanques y canales de oleaje, dotadas de sistemas de generación de oleaje, que es la solicitación principal en numerosos aspectos del diseño de la obra portuaria. Además, se requiere disponer de instrumentación adecuada para la medición de los diferentes efectos objeto de estudio, así como de las aplicaciones y equipos informáticos necesarios para la adquisición y análisis de los datos obtenidos en el ensayo.
Figura 1. Tanque de oleaje multidireccional y canal de oleaje y viento para ensayos a gran escala (CEDEX).
A partir de los ensayos en modelo físico a escala se han obtenido numerosas fórmulas empíricas que han sido aplicadas en el diseño de importantes obras portuarias.
No obstante, también es necesario considerar las limitaciones que presentan los modelos físicos de ingeniería portuaria, ya que no todos los fenómenos y factores son reproducibles en ellos. Por otra parte, el tamaño limitado del modelo genera lo que se conoce como ‘efectos de escala’.
Tipos de ensayos en modelos físicos de ingeniería portuaria
Entre los estudios en modelo físico en el ámbito de la ingeniería portuaria cabe destacar los siguientes:
- agitación de oleaje en el interior del puerto,
- comportamiento de buques atracados,
- onda larga en dársenas portuarias,
- comportamiento estructural y funcional de diques de abrigo,
- obras de atraque,
- estructuras portuarias flotantes,
- funcionamiento de esclusas.
Los tres primeros tienen como objetivo analizar el diseño en planta y la configuración de la instalación portuaria. Permiten obtener conclusiones sobre las condiciones de operatividad y seguridad, así como de la explotación de los atraques.
Los ensayos sobre comportamiento estructural y funcional de diques de abrigo proporcionan información sobre la fiabilidad de estas obras frente a temporales extremos de baja frecuencia de presentación, así como sobre el grado de rebase experimentado para diferentes condiciones de oleaje.
Los modelos físicos sobre obras de atraque son menos frecuentes, si bien tienen su aplicación para el estudio de diseños especiales, como los muelles de paramentos poco reflejantes.
En el caso de las obras portuarias flotantes se analizan sus condiciones de estabilidad (movimientos) frente a diferentes condiciones de oleaje.
Las esclusas portuarias también han sido objeto de estudio en modelo físico en algunas ocasiones, analizándose su funcionamiento en las fases de llenado/vaciado así como el comportamiento de los buques durante las operaciones.
Ley de semejanza y escala del modelo
Las propiedades del fluido, o la imposibilidad de reproducir de forma exacta algunos aspectos, como la configuración del fondo marino, o la rugosidad y resistencia de los materiales que constituyen las obras marítimas, hacen que no sea posible establecer una semejanza completa entre modelo y prototipo de todas y cada una de las fuerzas que intervienen en los fenómenos objeto de estudio (fuerzas de inercia, fuerzas de gravedad, viscosidad, tensión superficial y elasticidad).
Con estas limitaciones para establecer la semejanza entre modelo y prototipo es necesario conocer cuáles son las fuerzas predominantes y establecer una semejanza parcial.
En el caso de los modelos físicos de ingeniería marítima, la equivalencia entre modelo y prototipo se establece generalmente adoptando la ley de semejanza de Froude, la cual considera predominantes las fuerzas de inercia y las de gravedad. La no semejanza del resto de las fuerzas generará diferencias entre el comportamiento del modelo con respecto al prototipo, lo que se conoce como ‘efectos de escala’.
Una vez seleccionada la escala del modelo, es necesario comprobar que los efectos de escala pueden considerarse despreciables.
Estudios en modelo físico más habituales en ingeniería portuaria
– Ensayos de agitación y buques atracados
– Ensayos de agitación
Los ensayos de agitación tienen por objeto conocer las condiciones de oleaje existentes en el interior del puerto para un oleaje de régimen medio previamente definido, con el fin de diseñar una determinada configuración en planta en relación con la operatividad y seguridad de los atraques.
Estos ensayos son de tipo tridimensional (3D) y su construcción se realiza reproduciendo lo más fielmente posible la geometría de las obras portuarias que constituyen la zona portuaria objeto de estudio, así como la batimetría del interior del puerto y de una zona exterior suficientemente amplia para tener en cuenta el efecto del fondo en la propagación del oleaje hacia el puerto.
Escala
En estos ensayos se utilizan habitualmente escalas entre 1:50 y 1:150. Las escalas mayores se aplican en modelos de puertos pequeños (deportivos o pesqueros); en los ensayos de puertos comerciales son frecuentes las escalas de 1:100 a 1:150.
Los efectos de escala más importantes en estos ensayos se derivan de la no consideración de las fuerzas viscosas, la tensión superficial ni la elasticidad, acciones que tienen influencia en la reflexión, la transmisión y las pérdidas de energía del oleaje por rozamiento y por rotura del oleaje. En el rango de escalas utilizado, los efectos de dichas fuerzas se pueden considerar despreciables frente al efecto de las fuerzas de gravedad.
Realización del ensayo
La realización del ensayo de agitación consiste en generar el oleaje de estudio desde la zona exterior al puerto y analizar su desarrollo en el interior. Como el fin de estos ensayos es analizar la operatividad del puerto, se generan oleajes de régimen medio.
La medición del oleaje se realiza en una serie de puntos distribuidos en las diferentes zonas del puerto, principalmente en la bocana y en los diferentes atraques que puedan considerarse de interés según el objetivo del estudio. Las mediciones de oleaje se realizan con sondas eléctricas (resistivas o capacitivas).
Con los datos de oleaje registrados en cada punto de medición se realiza un análisis estadístico con el que se determina el número de olas, sus alturas y periodos (significante, medio, máximo y mínimo), así como el correspondiente espectro del oleaje a partir del cual se puede valorar el grado de operatividad de las instalaciones.
Con los resultados de los ensayos de agitación y la información de los estudios de clima marítimo y de propagación del oleaje en la zona de emplazamiento del puerto, se determina el ‘índice de excedencia’, que es el tiempo en un año medio en el que en cada punto se supera una determinada altura de ola para cualquiera de los oleajes ensayados. Esta altura de ola, que representa el umbral de operatividad, se puede seleccionar a partir de los valores recomendados que se proponen en diferentes guías y recomendaciones para el diseño de instalaciones portuarias (PIANC, ROM, etc.).
– Ensayos de ondas largas en dársenas portuarias
El periodo de estas ondas suele comprender entre los 30 segundos, varios minutos e incluso varias horas; es un factor que puede ocasionar graves problemas de seguridad en los puertos ya que pueden provocar movimientos excesivos de los buques, rotura de amarras, etc.
Este fenómeno se analiza en los mismos modelos físicos de agitación, si bien es necesario reproducir zonas de mayor extensión, principalmente en la zona de generación y aproximación a las instalaciones portuarias.
El objetivo de los ensayos de ondas largas es determinar los periodos que pueden coincidir con alguno de los modos de oscilación de la dársena. Los resultados del estudio permitirán adoptar las medidas necesarias para evitar o mitigar este fenómeno (modificaciones de planta, calado, disposición de playas amortiguadoras, etc.).
Las escalas de los ensayos de ondas largas oscilan entre 1:50 y 1:150 y los efectos de escala no difieren de los que aparecen en los modelos de agitación, si bien presentan particularidades en lo que se refiere a su magnitud e importancia.
– Modelos de comportamiento de buques atracados
El objetivo es el conocimiento de la operatividad de un determinado atraque en función de los tipos de buques potencialmente usuarios de sus instalaciones. Para ello, mediante oleajes de régimen medio, se analizan los movimientos del buque atracado y se miden las fuerzas en sus amarras y defensas, comparando todo ello con los valores considerados como admisibles para cada tipo de buque en estudio. Se realizan en el mismo modelo físico 3D en el que previamente se ha estudiado la agitación del puerto.
Con respecto a los valores admisibles antes mencionados, cabe distinguir dos situaciones límite relacionadas con la seguridad y con la operatividad: el límite de seguridad se refiere a los riesgos en la integridad del barco (rotura de amarras y defensas, daños en muelle o en las instalaciones), mientras que el límite de operatividad supone la interrupción de las labores de carga y descarga.
Como valores admisibles de movimientos de buques atracados, suelen adoptarse los propuestos en diferentes manuales y recomendaciones de diseño (ROM, PIANC), mientras que para esfuerzos en amarras y defensas ha de acudirse a datos de los fabricantes y a diversas publicaciones específicas.
Los ensayos de comportamiento de buques atracados permiten estudiar también diferentes sistemas de amarre y proponer el más adecuado en cada caso.
Escala
Cuando, en el modelo portuario, además de estudiar la agitación deba analizarse el comportamiento del buque atracado, es recomendable adoptar escalas superiores a 1:150.
A escalas suficientemente grandes para este tipo de ensayos queda garantizada la turbulencia del flujo en los contornos del buque.
Realización del ensayo
Además de contar con información sobre el tipo de buque que se posicionará en el atraque (características, condiciones de carga), se deberá conocer la posición de los bolardos y defensas, así como los materiales, características y tipos de amarras y defensas.
Las características de los oleajes de ensayo son habitualmente las mismas que las consideradas para los ensayos de agitación, obteniéndose valores de los esfuerzos en amarras y defensas, así como de los movimientos característicos del buque (vaivén, deriva, alteada, balance, cabeceo y guiñada).
Para la toma de datos de movimientos actualmente se utilizan sistemas ópticos, emisores-receptores láser, sondas de nivel y acelerómetros, mientras que para la medida de los esfuerzos en amarras y defensas se utilizan por regla general extensómetros.
El análisis de los datos medidos en los ensayos tiene por objeto determinar la relación entre las alturas de ola significante (Hs) en el exterior del puerto y los movimientos de los buques y los esfuerzos en las amarras y en las defensas.
Cada uno de los seis movimientos característicos del buque atracado se verá limitado por un valor de altura de ola y el mínimo de todos estos valores corresponderá a la altura de ola significante límite asociada a un determinado movimiento considerado como límite de operatividad o de seguridad, según sea el tipo de estudio. A partir de esta Hs límite y de los estudios previos de clima marítimo y propagación del oleaje se obtiene el denominado ‘índice de excedencia’ (horas o días de inoperatividad en un año medio).
Los ensayos en modelo físico permiten un ahorro económico considerable de las obras proyectadas
– Modelos físicos de diques de abrigo
Los ensayos en modelo físico sobre diques de abrigo tienen como objetivos principales el estudio del comportamiento estructural frente a temporales extremos de baja frecuencia de presentación, así como de su comportamiento funcional, principalmente en lo que respecta al rebase del oleaje.
Para la definición del oleaje de cálculo se deberá contar con estudios previos de clima marítimo y propagación de oleaje en la zona de emplazamiento del dique.
En función del tramo de obra objeto de estudio y de la extensión del mismo, los ensayos pueden ser de tipo bidimensional (2D) o tridimensional (3D).
En los casos en los que se trata de analizar la sección tipo de un determinado tramo, se realizan generalmente ensayos de tipo bidimensional (2D). Para el estudio de tramos singulares del dique, como pueden ser el morro del dique, el quiebro entre dos alineaciones, o los tramos de transición entre dos tipologías estructurales, será necesario plantear un ensayo de tipo tridimensional (3D).
La experimentación mediante modelos físicos de este tipo de obras tiene su aplicación a todas las fases de su ciclo de vida: fase de servicio, fases constructivas (transporte marítimo, fondeo, protecciones y morros temporales, vertidos de material del núcleo y su dispersión), e incluso a la fase de desmantelamiento.
Escala
La definición de la escala a emplear en cada ensayo depende principalmente de las dimensiones del dique objeto de estudio, de las condiciones de oleaje de ensayo (alturas de ola, periodos, direcciones), de la profundidad de la zona de emplazamiento, de las características de los elementos estructurales que lo componen, de las características de la instalación de ensayo (dimensiones, capacidad de generación de oleajes, etc.) y del rango de media de los dispositivos e instrumentación utilizados.
Para los ensayos en modelo físico de obras de abrigo se consideran adecuadas las escalas entre 1:10 y 1:50. Para grandes escalas, en el entorno de 1:10 a 1:20, en las que los efectos de escala serían prácticamente depreciables, los ensayos suelen llevarse a cabo en canales o tanques de grandes dimensiones.
– Ensayos de diques de tipología en talud
En el caso de los diques de tipología en talud, los ensayos de estabilidad estructural tienen como objetivo analizar la estabilidad de los diferentes elementos que constituyen el manto principal, las bermas, el talud interior y el espaldón.
Como las averías en este tipo de diques se producen de forma progresiva, es importante considerar la evolución del temporal de oleaje. Este se reproduce mediante una sucesión de etapas de altura de ola y periodo crecientes hasta alcanzar, e incluso superar, la altura de cálculo del dique. Cuando el dique se encuentra en zonas de carrera de marea significativa, el ensayo deberá contemplar además la variación del nivel de agua.
Realización del ensayo
La realización del ensayo consiste en someter al tramo de dique reproducido en el modelo al temporal de ensayo definido, observando el comportamiento estructural del manto principal y de las diferentes zonas de la sección en las sucesivas fases del temporal de cálculo. Este comportamiento es además registrado en imágenes (fotografía, video), realizándose incluso levantamientos de perfiles y superficies con dispositivos adecuados para su posterior análisis.
En el caso de que el dique disponga de espaldón en su coronación, el modelo físico permite analizar también el grado de estabilidad de este elemento mediante la instalación de sensores para la medida de presiones en su paramento.
– Ensayos de diques de tipología vertical
En el caso de los diques verticales, al tratarse de una estructura rígida constituida por un elemento principal, generalmente un cajón celular de sección rectangular apoyado sobre una banqueta de cimentación, la acción de una sola ola puede llegar a producir movimientos y generar fallos del tipo vuelco o deslizamiento del elemento principal, pudiendo desencadenar la destrucción total del dique. Otro aspecto a considerar es la estabilidad de la banqueta de cimentación, cuyo fallo afectaría al apoyo del cajón.
Los ensayos tienen como objetivos la medición de las acciones del oleaje sobre el cajón y el estudio de la estabilidad de la cimentación.
Realización del ensayo
Los ensayos consisten en someter al dique a diferentes series temporales de oleaje, definidas a partir de las características del oleaje de cálculo, y medir los impactos producidos por las olas sobre el cajón. Para la medida de las presiones debidas al oleaje pueden utilizarse sensores de presión distribuidos sobre el paramento del cajón y espaldón y sobre la base del cajón (subpresiones). La medida de esfuerzos y momentos puede realizarse instrumentando el cajón con dinamómetros o células de carga.
El estudio de la estabilidad de la banqueta de cimentación se lleva a cabo mediante ensayos con metodología similar a los ensayos de diques en talud.
Los valores de las fuerzas horizontales y verticales registrados en función del tiempo se tratan estadísticamente, obteniéndose sus valores máximos y otros valores característicos de interés (Fmedio, F1/3,…).
– Ensayos de rebases sobre obras de abrigo
Los ensayos de rebases tienen como objetivo analizar el comportamiento del dique desde el punto de vista funcional, por cuanto que este fenómeno afecta a la utilización de la superestructura del dique. Los tipos de uso de dichos espacios pueden ser muy diversos (tránsito peatonal, tránsito de vehículos, zonas de uso portuario y almacenamiento de mercancías, etc.), y en función de estos tipos de uso puede admitirse mayor o menor grado de rebase.
Realización del ensayo
El tramo de dique objeto de estudio se somete a diferentes condiciones de oleaje, las cuales son reproducidas mediante series temporales de duración suficiente para contener un número de olas adecuado que permita realizar un análisis estadístico fiable.
Para la medición de los rebases pueden utilizarse dispositivos de recogida del agua rebasada en el lado abrigado del dique, permitiendo incluso cubicar el agua descargada en cada uno de los rebases producidos. El nivel de rebase suele caracterizarse mediante la tasa o caudal medio de rebase por unidad de longitud de dique, obteniéndose también el volumen máximo rebasado en una sola descarga de rebase.
Futuro de los modelos físicos
Conviene tener en cuenta que el coste del modelo físico es irrelevante comparado con el de la obra en cuestión; en consecuencia, además de verificar la fiabilidad y seguridad de la obra, los ensayos en modelo físico permiten un ahorro económico considerable de las obras proyectadas.
A partir del desarrollo y los avances en las técnicas de modelización física, se obtienen resultados cada vez más fiables en la resolución de problemas asociados a fenómenos de gran complejidad para ser representados mediante modelos numéricos en un ordenador. Estos resultados contribuyen a realizar una calibración y una verificación de los obtenidos por los modelos numéricos, cada día con más capacidad y posibilidades de aplicación, permitiendo así una mejora de la fiabilidad de las herramientas numéricas mencionadas para el estudio de los problemas relacionados con la ingeniería marítima.
En definitiva, parece que hoy la coexistencia y complementariedad de los modelos numéricos y los físicos es una necesidad, debiendo aplicarse de forma integrada.
Como aspectos de desarrollo futuro cabe esperar una mejor integración de acciones complejas (viento, oleaje, corrientes) derivadas de otros modelos (físicos y/o numéricos) y una mayor capacidad instrumental para la medición de los efectos.