Número de Iribarren y sus aplicaciones en diques en talud

El Número de Iribarren tiene sus aplicaciones principales en el cálculo del coeficiente de reflexión, de tal forma que a mayor número de Iribarren, mayor es la reflexión. Se puede emplear en el cálculo del Run-up (ascenso de la ola en el talud) y en la determinación de los pesos de la escollera del manto principal mediante la fórmula de Van Der Meer para aguas someras, así como para definir las formas de rotura del oleaje.

Métodos de cálculo de cotas de coronación en diques verticales

• Diagrama de presiones de Hiroi: Para que el dique sea irrebasable, se debe considerar una altura sobre el Nivel de Pleamar Máxima Viva Equinoccial (PMVE) de 1,25Hd.
• Método de Sainflou: El diagrama de presiones no es uniforme. Presenta el máximo valor de presión a la altura del nivel del mar y disminuye a medida que se acerca a la coronación del dique. La altura se calcula como Hd + d₀, siendo d₀ = (π * H²) / L * cot(2πH / L).
• Método de Franco (permitiendo rebase): Se utiliza la fórmula q / √(g * H³) = 0,082 * exp(-3Rc / H), donde ‘q’ es el caudal de rebase y ‘Rc’ es la revancha.

Explicación del diagrama paramétrico de McConnell

Este diagrama se basa en cuatro monomios adimensionales:

• Altura de berma relativa (h_b*): h_b* = h_b / h_s
• Altura de ola significante relativa (H_s*): H_s* = H_s / h_s
• Berma relativa (B/L)
• Fuerza relativa (F*): F* = F / (g * ρ * H²)

Según el valor de h_b*, se clasifica la estructura:

• Si h_b* < 0,3: Se considera un dique vertical.
• Si 0,3 < h_b* < 0,9: Se trata de un dique vertical compuesto.
• Si h_b* > 0,9: Corresponde a un espaldón de diques en talud.

Con el valor de H_s* se determina si se trata de oleaje de pequeña o gran altura, definiendo el tipo de ola: cuasi estacionaria, en rotura, rompiente o ligeramente rompiente.

Definición de GBS, TLP y Jacket

GBS (Gravity-Based Structure)

Es una estructura de soporte fija que se mantiene estable gracias a su propio peso. Normalmente está construida con hormigón reforzado con acero y cuenta con espacios internos libres que permiten controlar la flotabilidad durante su transporte e instalación. Presenta una gran esbeltez en la parte superior y mayor peso en la base. Se utiliza en profundidades que generalmente no superan los 300 metros, aunque existen excepciones.

TLP (Tension-Leg Platform)

Es una estructura flotante anclada verticalmente mediante tendones tensionados, utilizada normalmente para la producción offshore de petróleo en profundidades entre 300 m y 1500 m. A diferencia de las plataformas tipo SPAR, las TLP tienen boyancia positiva, lo que significa que los tendones están siempre en tracción. Esto limita el movimiento vertical y reduce el espacio necesario para el sistema de amarre a las dimensiones de la propia plataforma.

Jacket

Es una estructura fija de acero (celosía tridimensional) sustentada sobre pilotes hincados en el lecho marino. En profundidades elevadas, los pilotes se instalan por el exterior de las patas de la estructura, unidos a ella en su parte inferior y clavados mediante martillos submarinos, lo que evita longitudes de pilote excesivas. Se utilizan comúnmente en la industria de Oil & Gas para profundidades de hasta 500 metros.

Descripción de GBS, Jack-up y Soportes Flotantes

• GBS (Gravity-Based Structures): Estructuras que aseguran su estabilidad por peso propio. Su sección transversal se reduce hacia la parte superior. Se emplean en profundidades de hasta unos 200 metros.
• Jack-up: Plataformas móviles que se utilizan para sondeos y perforaciones en aguas poco profundas. Se transportan flotando hasta su ubicación, donde bajan sus patas hasta apoyarse firmemente en el fondo marino, quedando elevadas sobre el nivel del mar para operar de forma estable.
• Soportes flotantes con boyancia positiva: Corresponden a las plataformas TLP (Tension-Leg Platform). Son estructuras flotantes sujetas por tendones verticales que se mantienen constantemente en tensión.
• Soportes flotantes con boyancia neutra: Incluyen las plataformas SPAR y las semisumergibles. Son estructuras flotantes que se mantienen en posición mediante sistemas de anclaje con amarras no tensionadas (catenarias).

Zonificación de plataformas según profundidad y aplicación

La clasificación de las zonas marinas varía según el contexto (teoría de ondas, eólica marina o Oil & Gas), principalmente en función de la profundidad (h) y la longitud de onda (L).

Dominios hidrodinámicos en función de la relación D/L

Estos dominios se utilizan para estimar los esfuerzos que el oleaje ejerce sobre una estructura (como un pilote), donde D es el diámetro del elemento y L es la longitud de onda.

• D/L < 0,2 (Régimen de Morrison): En este caso, la estructura es pequeña en comparación con la longitud de onda. Las fuerzas dominantes son las de inercia y arrastre. Se aplica la Ecuación de Morrison.
• D/L > 0,2 (Régimen de Difracción): La estructura es lo suficientemente grande como para alterar significativamente el campo de oleaje. Las fuerzas se calculan mediante la teoría de la difracción. La estructura provoca una dispersión lateral de la energía de la ola.

Nota: El régimen de Froude-Krylov se refiere a la fuerza de presión ejercida por el campo de oleaje no perturbado y es una componente de los regímenes anteriores.

Tipos de semejanzas y factores de escala en modelos

• Semejanza geométrica: Mantiene una conversión lineal entre el prototipo y el modelo mediante un factor de escala (λ). Se aplica a todas las dimensiones, como alturas de ola, esloras de barcos y cotas de la obra (espaldón, berma, banqueta).
• Semejanza cinemática: Relaciona las velocidades. Se busca mantener constante un número adimensional, como el Número de Froude (Fr = v / √(g*y)), que es crucial en fenómenos donde la gravedad es la fuerza dominante (como el oleaje).
• Semejanza dinámica: Relaciona las fuerzas que actúan sobre el modelo y el prototipo. Se busca la constancia de números como el de Newton, Reynolds o Froude, dependiendo de las fuerzas dominantes (gravedad, viscosidad, etc.).

Condiciones del núcleo y morro en diques en talud

Morro

Es la cabeza o extremo del dique, la parte más expuesta al oleaje y situada a mayor profundidad. Por ello, requiere piezas de mayor peso (típicamente W_morro ≈ 1,5 * W_tronco). Se pueden usar piezas especiales que trabajan por trabazón para aumentar la resistencia conjunta. Se diseña con un coeficiente de reflexión (Kr) bajo.

Núcleo

Es el cuerpo central del dique. Se construye con un rango de pesos de material amplio (ej. 1-1000 kg) para aprovechar al máximo el material de cantera. Su coronación suele situarse entre 0,5 y 1,0 m por encima de la PMVE, con una anchura suficiente para la circulación de maquinaria (aprox. 8 m). El talud se forma por vertido directo, adoptando pendientes naturales como 3/2, 4/3 o 5/4.

Diferencias entre plataformas TLP y SPAR

TLP (Tension-Leg Platform)

• Estructura flotante con boyancia positiva (tiende a flotar más de lo que pesa).
• Sistema de anclaje con tendones verticales tensionados que trabajan a tracción.
• El espacio ocupado por el anclaje es reducido, similar al de la plataforma.
• Restringe fuertemente el movimiento vertical.
• Profundidades típicas: 300 m a 1500 m.

SPAR

• Estructura flotante de gran calado, muy estable por su bajo centro de gravedad.
• Sistema de anclaje con amarres tipo catenaria, no tensionados.
• El espacio ocupado por el anclaje es mucho mayor que el de la plataforma.
• Los amarres restringen principalmente el movimiento horizontal.
• Profundidades típicas: 600 m a más de 2300 m.
• Existen varios tipos: Classic, Truss y Cell.

Análisis de estabilidad según Hudson e Iribarren

Fórmula de Hudson (Coeficiente K_D)

Analiza la estabilidad del manto de un dique en talud. El coeficiente K_D depende de:

• La ubicación (tronco o morro).
• Si la ola llega rota o no.
• El tipo de pieza del manto (cuanto más especial, mayor K_D y menor peso necesario).
• El método de colocación de la pieza.
• La pendiente del talud.
• Se asocia a un nivel de avería bajo (típicamente del 0% al 5%).

Número de Iribarren (ξ)

Relaciona la pendiente del talud con la esbeltez de la ola. Sirve para determinar:

• El modo de rotura del oleaje sobre el talud.
• El equilibrio de las piezas del manto (deslizamiento hacia arriba o hacia abajo).
• El nivel de avería, desde el inicio del daño hasta la rotura total.
• Influye en el cálculo del porcentaje de daños.

¿Qué es una onda larga?

Una onda larga (o infragravitatoria) se refiere a oscilaciones del nivel del mar con períodos largos (típicamente de 30 segundos a varios minutos). No se trata de un conjunto de olas individuales, sino de una variación de baja frecuencia del nivel medio del mar. Se genera por la superposición de trenes de ondas con diferentes longitudes de onda, lo que crea grupos de olas altas seguidos de grupos de olas más bajas. Esta agrupación provoca una variación en la energía que llega a la costa, generando estas ondas largas. Pueden causar graves problemas de resonancia en puertos (agitación portuaria) y corrientes peligrosas, como las observadas en el dique abierto del puerto de A Coruña.

Tipos de estructuras offshore fijas y flotantes

• Estructuras fijas (cimentadas directamente): Jacket, GBS (Gravity-Based Structure), Compliant Towers.
• Estructuras flotantes: SPAR, Semisumergibles, TLP (Tension-Leg Platform), FPSO (Floating Production Storage and Offloading).

Métodos de reconocimiento del fondo marino y unidades offshore

Para el diseño de una obra marítima se necesita conocer la batimetría, la morfología y las propiedades del fondo marino. Algunos equipos y unidades utilizados en el entorno offshore son:

• Drillship: Barco de perforación diseñado para operar en aguas profundas.
• Jack-up: Plataforma autoelevable para sondeos y perforaciones en aguas someras.
• ROV (Remotely Operated Vehicle): Vehículo submarino no tripulado, operado por control remoto, de gran maniobrabilidad para inspección y trabajos.
• AUV (Autonomous Underwater Vehicle): Vehículo submarino autónomo que sigue una misión preprogramada para recopilar datos (batimetría, etc.). Funciona con baterías.

Además, existen unidades de producción y almacenamiento:

• FPSO (Floating Production Storage and Offloading): Unidad flotante (generalmente un barco) que procesa, almacena y transfiere petróleo o gas.
• FSO (Floating Storage and Offloading): Unidad flotante que almacena y transfiere, pero no procesa.
• FSU (Floating Storage Unit): Unidad flotante que únicamente almacena el producto.

Tipos de puertos: exterior e interior

• Puerto exterior: Aquel que se construye ganando terreno al mar mediante obras de abrigo (diques) que lo protegen del oleaje. Ejemplo: el puerto de Cabo Torres en Gijón.
• Puerto interior: Aquel que se ubica en una zona naturalmente abrigada, como un estuario o un río navegable. No requiere grandes obras de abrigo exteriores, sino principalmente obras interiores (muelles, dragados). Ejemplos: Rotterdam, Sevilla.

Tipos de obras marítimas

• Obras exteriores o de abrigo: Diques de abrigo, rompeolas.
• Obras interiores: Muelles, pantalanes, diques secos.
• Obras de servicio al barco: Gradas, varaderos, boyas de amarre.
• Obras de defensa costera: Espigones, diques exentos, diques sumergidos, regeneración de playas.

Talud crítico en diques en talud

Es el valor de la pendiente del talud a partir del cual cambia el modo de equilibrio de las piezas del manto (de deslizamiento hacia abajo a deslizamiento hacia arriba). Este valor depende del tipo de pieza:

• Tronco: 3.64 (escollera), 2.8 (bloques), 1.77 (piezas especiales).
• Morro: 1.5.

Propiedades del morro en diques de abrigo

El morro es una zona crítica del dique por las siguientes razones:

• Recibe oleaje de múltiples direcciones (efecto tridimensional).
• Concentra la energía del oleaje (difracción).
• Requiere piezas de mayor peso: W_morro ≈ 1,5 * W_tronco.
• Las piezas que trabajan por trabazón pueden funcionar peor debido a la complejidad de las solicitaciones.
• Su estabilidad se ve reducida ante oleaje oblicuo.

Tipos de energías renovables marinas

• Eólica marina (offshore wind)
• Undimotriz (de las olas)
• Mareomotriz (de las mareas)
• De las corrientes
• Maremotérmica (del gradiente térmico)
• Osmótica (del gradiente salino)

Curva de estabilidad de un rompeolas

Representa el porcentaje de daños en el manto en función de la altura de ola significante (H_s). La curva muestra que, a partir de una cierta altura de ola, el dique empieza a perder piezas (inicio de avería). El paso de una estabilidad parcial a la inestabilidad total (destrucción) suele ser muy rápido. Por esta razón, el diseño busca que la altura de ola de inicio de avería esté suficientemente alejada de las condiciones de operación, pero a su vez, el colapso total no ocurre hasta condiciones mucho más extremas.

¿Qué es un dolo y otras piezas especiales?

Un dolo es una pieza prefabricada de hormigón con una forma geométrica compleja, utilizada en los mantos exteriores de los diques en talud. Su diseño le permite trabajar eficientemente por rozamiento y trabazón, disipando la energía del oleaje con un peso menor que si se usara escollera. Otras piezas especiales conocidas son el tetrápodo, el acrópodo y el cubo ranurado.

Modelo de presiones en un dique vertical

El paramento exterior de un dique vertical está sometido a la acción hidrostática (presión del agua en reposo) y a la acción dinámica de las olas. El modelo de cálculo considera la presión generada por la ola al chocar contra la estructura. Aunque el impacto máximo de la ola (presión de impacto) y el máximo de la presión de la masa de agua no son estrictamente simultáneos, en muchos métodos de cálculo se realiza esta aproximación para simplificar.

Función del espaldón en un dique de escollera

El espaldón es un muro de hormigón que se construye en la coronación de un dique de escollera. Sus funciones principales son:

• Aumentar la estabilidad global del dique.
• Reducir el rebase del oleaje, protegiendo la zona interior.
• Permitir un ahorro importante de material en el manto principal.
• Aumentar la superficie útil y la zona de abrigo en el trasdós del dique.

Equilibrio de piezas hacia arriba o hacia abajo

Este fenómeno se produce en los diques en talud (DT) y depende de si la pendiente del talud (cotg α) es mayor o menor que el talud crítico.

• Equilibrio hacia arriba: El flujo de ascenso de la ola (run-up) es más fuerte que el de descenso (run-down). Las piezas tienden a ser arrastradas hacia la coronación. Ocurre en taludes tendidos y en estructuras rebasables.
• Equilibrio hacia abajo: El flujo de descenso es dominante y arrastra las piezas hacia el pie del talud. Ocurre en taludes más verticales (menos tendidos).

Función del bloque de guarda

El bloque de guarda es un elemento que se coloca en el pie de un dique vertical (DV). Su principal función es proteger la cimentación contra la socavación, evitando que la acción del oleaje y las corrientes erosionen el material de la banqueta de cimentación y pongan en peligro la estabilidad del monolito.

Modos de fallo de estructuras marítimas

• Fallo gradual: Se produce por la acción sucesiva del oleaje, con un deterioro progresivo. Es típico de obras deformables como los diques en talud.
• Fallo instantáneo: Ocurre de forma súbita cuando se supera la capacidad resistente de la estructura. Es característico de obras rígidas como los diques verticales.

Condiciones de empleo de diques verticales (DV) y diques en talud (DT)

Dique en Talud (DT)

• Ventajas: Admite ciertos asientos del terreno, es una estructura flexible, y aprovecha materiales de cantera cercanos.
• Condiciones de uso: Adecuado para fondos marinos de peor calidad y en zonas donde no hay suficiente calado para que el oleaje rompa directamente sobre la estructura (disipa la energía).
• Inconvenientes: Ocupa una gran superficie en planta.

Dique Vertical (DV)

• Ventajas: Ocupa menos espacio, permite el atraque de barcos si el calado es suficiente.
• Condiciones de uso: Requiere un buen terreno de cimentación, ya que no admite asientos diferenciales. Se emplea en zonas con calado suficiente para que el oleaje se refleje en lugar de romper (típicamente calados > 15 m).
• Inconvenientes: Es una estructura rígida que consume grandes volúmenes de hormigón.

Posibilidades de fallo en un dique de escollera

Los modos de fallo pueden ocurrir en diferentes partes de la estructura:

• Banqueta de cimentación: Socavación o pérdida de unidades.
• Núcleo y mantos: Deslizamiento, pérdida de piezas, rebase excesivo.
• Espaldón: Deslizamiento, vuelco, hundimiento o daños por rebase.

Nota: El término «monolito» se aplica más a diques verticales. En un dique de escollera, los fallos se asocian al núcleo, los mantos y el espaldón.

Funciones de los diques

Los diques pueden cumplir diversas funciones, entre las que destacan:

• Abrigo: Proteger una zona de la acción del oleaje (diques de abrigo, rompeolas).
• Apoyo y atraque: Servir como muelle para el amarre de embarcaciones.
• Encauzamiento: Dirigir las corrientes, por ejemplo, en la desembocadura de un río.
• Sustentación: Contener terrenos para ganar superficie al mar (diques de cierre).
• Estanqueidad: Impedir el paso del agua (presas, diques secos).

¿De qué depende la forma de resistir del manto exterior de un dique de escollera?

La forma en que el manto exterior resiste la acción del oleaje depende fundamentalmente del tipo de piezas que lo componen:

• Por peso propio: Es el mecanismo principal en mantos de escollera o bloques cúbicos. La estabilidad depende de que el peso de la pieza sea suficiente para no ser movida por la ola.
• Por rozamiento y trabazón: Es el mecanismo dominante en piezas especiales (doles, tetrápodos, etc.). Su forma geométrica permite que se encajen entre sí, aumentando la resistencia del conjunto.

Ejercicio: Cota de coronación de la banqueta

Enunciado: En 3 diques en talud, cimentados a cotas -8 m, -15 m y -20 m, indicar la cota de coronación de la banqueta con H_s = 6 m.

Resolución (aproximada):

• Cimentación a -8 m y -15 m (h < 20 m, aguas someras): La banqueta se suele colocar a una profundidad de 1,5 * H_s. Por tanto, h_banqueta = 1,5 * 6 m = 9 m. La cota de coronación sería -9 m.
• Cimentación a -20 m (h ≥ 20 m, aguas de transición/profundas): La banqueta se suele colocar a una profundidad de 2 * H_s. Por tanto, h_banqueta = 2 * 6 m = 12 m. La cota de coronación sería -12 m.

Ejercicio: Dique vertical equivalente

Enunciado: Si un dique en talud, fuera de la zona de rotura, está diseñado con una altura de ola de diseño H_D = 12,7 m, ¿a qué profundidad debería situarse su equivalente en tipología vertical y cuál es la altura de ola de cálculo?

Resolución:

1. Se asume que la altura de diseño (H_D) para un dique en talud corresponde a H_1/10.
2. Se utiliza la relación H_1/10 ≈ 1,27 * H_1/3 (o H_s).
3. Despejando H_s: H_s = 12,7 m / 1,27 = 10 m.
4. Para un dique vertical, la altura de ola de cálculo suele ser la máxima (H_max), que en aguas profundas se estima como H_max ≈ 1,8 * H_s.
5. H_max = 1,8 * 10 m = 18 m.
6. Un dique vertical debe situarse a una profundidad (h) donde la ola no rompa, típicamente h > 2 * H_max.
7. Profundidad mínima: h > 2 * 18 m = 36 m.

Explicación de los coeficientes α₁, α₂ y α₃ en el método de Goda

Para el diseño de diques verticales, la teoría de Goda y Takahashi es uno de los métodos más extendidos. Esta teoría define la distribución de presiones del oleaje sobre el paramento vertical mediante varios coeficientes:

• α₁: Coeficiente que tiene en cuenta el aumento de la presión en la base del dique debido a la presencia de la estructura.
• α₂: Coeficiente que considera la presión de impacto de la ola rompiente o cuasi-rompiente.
• α₃: Coeficiente que define la forma de la distribución de presiones por debajo del nivel del mar.

Estos coeficientes se obtienen de diagramas en función de las características del oleaje y la geometría del dique, y permiten calcular las presiones para verificar la estabilidad al deslizamiento y al vuelco.