Análisis del comportamiento hidrodinámico de un dique vertical formado por cajones con patio interior y geometría cilíndrica

Resumen

La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio del comportamiento hidrodinámico de una nueva tipología de dique vertical conformada mediante cajones perforados, cuyas paredes delantera y trasera están constituidas por sendas alineaciones de cilindros verticales separados entre sí. Las peculiaridades de esta tipología, objeto de la investigación, implican diferencias importantes respecto a otras configuraciones de cajones perforados existentes, mientras que otros aspectos, que afectan al comportamiento funcional, son compartidos. Se ha comprobado que el empleo de esta tipología en diques implica importantes ventajas en la reducción de cargas de oleaje en las condiciones analizadas en esta investigación, lo cual hace posible su empleo en localizaciones con terrenos de escasa capacidad portante. Igualmente, mejora las condiciones de rebase, permitiendo disminuir la cota de coronación de la estructura, hecho que puede ser relevante si se pretende disminuir el impacto visual. Con objeto de esclarecer su comportamiento hidrodinámico, caracterizar la disminución de cargas de oleaje respecto a un dique vertical clásico de paramento plano e identificar las variables principales que gobiernan el proceso de interacción oleaje-estructura, se ha desarrollado una serie de simulaciones en modelo físico reducido en canal (2D). Estas han consistido en 37 ensayos con diferentes escalones de altura de ola y periodo, con oleaje regular y modificando algunos parámetros geométricos del modelo, con el fin de evaluar la influencia de dichas variables principales en la estimación de las cargas dinámicas. El estudio se ha desarrollado dentro de unos dominios bien definidos en cuanto a la tipología de dique y a la naturaleza de las cargas de oleaje que la solicitan. En concreto, se ha centrado en las condiciones de cargas cuasiestacionarias de oleaje sobre la estructura, la cual puede clasificarse como dique vertical, de acuerdo al mapa paramétrico de McConell desarrollado en el marco del European Research Project - PROVERBS (1998) del Programa MAST III. Además, las condiciones de oleaje se sitúan en profundidades intermedias, en ausencia de rotura ni por fondo ni por forma y en situaciones donde son aplicables los principios generales de la teoría lineal de ondas. Igualmente, y con objeto de esclarecer la influencia de las principales variables descriptoras del oleaje, se ha llevado a cabo la citada campaña de ensayos simulando series de oleaje regular, reproduciendo un patrón único de generación de cargas sobre la estructura durante cada una de las series. Los registros de las cargas máximas han sido comparados con los que corresponderían con un dique vertical convencional sometido a las mismas condiciones. A su vez, dichos resultados comparativos son confrontados con los expuestos por Takahashi en algunos de sus estudios con otras tipologías de cajones perforados desarrollados a partir de 1991, con disminuciones de cargas coherentes con los registrados en esta investigación, habida cuenta de las diferencias en las configuraciones de los cajones perforados analizados. El enfoque adoptado en esta investigación es uno entre los varios posibles que, en trabajos similares, han venido empleándose de acuerdo a la revisión de la literatura científica y técnica existente. Como resultado de la citada revisión, en esta Tesis se propone una clasificación genérica de los procedimientos conceptuales de estimación de cargas para las tipologías de cajones perforados. En este sentido, puede considerarse que la metodología conceptual desarrollada en esta investigación está dentro del grupo de los estudios de referencia de Bergmann y Oumeraci llevados a cabo en el marco del citado Proyecto PROVERBS. Además de la caracterización en cuanto a reducción de cargas, como resultado principal de la investigación se ha obtenido una nueva formulación que estima las cargas horizontales máximas de oleaje sobre la estructura, expresión que depende de las variables básicas descriptivas del fenómeno ondulatorio y de su balance energético, así como de los parámetros geométricos principales de la estructura. En particular, las tres variables empleadas en la expresión son: la energía incidente del oleaje, magnitud promediada derivable de la teoría lineal; la anchura de cámara relativa (B/L) y la altura relativa de ola (H/h). El primer término gobierna principalmente la magnitud de las cargas resultantes, mientras que los dos últimos definen el proceso de laminación de energía que se produce en la interacción oleaje-estructura. La sencillez conceptual de la nueva fórmula desarrollada contrasta con la complejidad de comportamiento hidrodinámico del sistema que se caracteriza, entre otras, por una apreciable pérdida de energía por turbulencia en el interior de la cámara, entendiendo por ésta el espacio comprendido entre las dos filas de cilindros. El empleo de dicha formulación (o de otras similares con diferentes ajustes en función de la configuración particular del cajón perforado) puede resultar de interés en la fase de prediseño en localizaciones concretas para diques de esta tipología, previamente a su contraste en fase de proyecto definitivo mediante ensayos en modelos físicos. Por su parte, las citadas variables están afectadas por unos coeficientes de ajuste experimentales que dependen, a su vez, de la configuración de algún elemento estructural del cajón. En concreto, de la viga de conexión superior de la pantalla delantera de cilindros, con función de arriostramiento entre ellos, y que influye en el patrón del ciclo llenado/vaciado de la cámara interior. Además, la porosidad de la pantalla delantera en los ensayos ha variado en un rango de valores relativamente reducido, pues se ha partido de los resultados de algunos trabajos de referencia en cuanto a cilindros en línea sometidos a flujos continuos. Dichos resultados han permitido definir unas porosidades que se consideran que pueden ser próximas a las óptimas desde el punto de vista de reducción de cargas. En relación con este aspecto, el concepto porosidad de la pantalla delantera es aquí sustituido por el de densidad de cilindros (Φ), el cual fue introducido por Chakrabarti en estudios específicos del efecto bloqueo para estructuras offshore. Los aspectos anteriores son coherentes con una de las pautas que se deduce de la revisión del estado del arte en cuanto a los numerosos estudios existentes sobre el empleo de cajones perforados en diques: la dificultad en la generalización de resultados debido a la enorme casuística en cuanto a configuraciones posibles. En este sentido, la nueva formulación puede considerarse una aportación original fruto de la investigación. Igualmente, y muy relacionado con dicho aspecto, se han abordado algunas consideraciones constructivas que, para esta tipología de cajón, deben al menos tenerse en cuenta. De acuerdo a la toma de decisiones sobre estos temas constructivos en casos específicos, podrán derivarse variaciones de la configuración estudiada que requerirán el ajuste de los coeficientes de la formulación propuesta o bien la evaluación completa de su aplicabilidad. Finalmente, aspectos muy concretos en relación con la extrapolación de los resultados modelo-prototipo y los posibles efectos de escala, proponen alguna posible línea de investigación adicional.