Diseno de Diques en Talud 2008

ESQUEMA GENERAL 1. Introducción 2. Definición. Elementos de la sección tipo 3. Modos de fallo 4. Parámetros de diseño de la sección tipo 5. Manto principal – Tipos. Elementos. Colocación – Dimensionamiento. Fórmulas de diseño

6. Criterios generales de diseño de capas – Cotas, anchura de coronación, bermas...

7. Núcleo: Cota, anchura, recomendaciones 8. Capas de filtro. Condición de filtro 9. Protección del pie 10. Berma de apoyo del manto 11. Morro de los diques en talud 12. Respuesta hidráulica de un dique en talud. Rebase, reflexión, transmisión

FUNCIONES DE LOS DIQUES PORTUARIOS: CONDICIONANTES DE DISEÑO • Abrigo una zona portuaria • Rebase limitado (se admite cierto grado de rebase) • Transmisión limitada • Riesgo mínimo

FUNCIONES DE LOS DIQUES PORTUARIOS: CONDICIONANTES DE DISEÑO • Abrigo a un muelle adosado • Mínimo rebase • Transmisión limitada • Riesgo mínimo • Calado suficiente

FUNCIONES DE LOS DIQUES PORTUARIOS: CONDICIONANTES DE DISEÑO • Abrigo de zonas de navegación • Agitación limitada • Calado suficiente • Factores favorables: • Transmisión y rebase admisibles • Averías admisibles • Encauzamientos • Agitación limitada • Permeabilidad mínima • Factores favorables: • Rebase admisibles • Averías admisibles

TIPOS DE DIQUES • FUNCIONALES – – – – – – – – – –

Irrebasables Rebasables Emergidos Sumergidos Impermeables Permeables Reflejantes Amortiguadores Abrigo total Abrigo parcial

• ESTRUCTURALES – Monolíticos – Desagregados (talud) • Estables dinámicamente • Estables estáticamente

Talud Verticales Especiales

– – – –

Mixtos Flotantes Neumáticos Hidráulicos

TIPOLOGÍAS PRINCIPALES • DIQUES EN TALUD

• DIQUES VERTICALES

– DISIPADORES – PERMEABLES – DESAGREGADOS – – – –

Irrebasables Rebasables Emergidos Sumergidos

– – – – – – –

REFLEJANTES MACIZOS MONOLÍTICOS Irrebasables Rebasables Emergidos Sumergidos

· DIQUES ESPECIALES - Flotantes - Neumáticos - Hidráulicos

DIQUES EN TALUD. FUNCIONES • DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA DEL OLEAJE: DIQUES ROMPEOLAS

K R2 + K T2 + K D2 = 1 – Abrigo frente al oleaje (función principal) – Estanqueidad (impermeabilidad) – Apoyo y sustentación (transporte sólido)

• TRAMOS PRINCIPALES – Arranque – Tronco – Morro

• TIPOS – Abiertos – Cerrados – Exentos

DIQUES EN TALUD: FACTORES A CONSIDERAR

VENTAJAS •• VENTAJAS

Averías:se seproducen producende deforma formaprogresiva progresiva ––Averías: Mediosconstructivos constructivosmás másasequibles asequibles ––Medios

INCONVENIENTES •• INCONVENIENTES

Costeelevado elevadoen engrandes grandescalados calados ––Coste Ocasionamolestias molestiasconstructivas constructivas ––Ocasiona Altadependencia dependenciade decanteras canteras ––Alta

PROBLEMASMÁS MÁSFRECUENTES FRECUENTES •• PROBLEMAS Averíasen enelelmanto mantoprincipal principal ––Averías Roturade deelementos elementosdel delmanto manto ––Rotura Dañospor porrebase rebase ––Daños Asentamientos ––Asentamientos

DIQUES EN TALUD SEGÚN TIPO DE ABRIGO • ABRIGO TOTAL – No rebasable (o muy poco) – Talud: estáticamente estables (núcleo, manto de protección, capas de filtro) – Impermeable (o casi) – Avería
destrucción – Prediseño con fórmulas de cálculo convencionales (Iribarren, Hudson, van der Meer), (Goda, Takahashi)

• ABRIGO PARCIAL – Rebasables (baja cota) • De sección tipo convencional – Talud: estáticamente estables – Impermeable – Avería
destrucción

• Diques arrecife (talud) – Dinámicamente estables (acumulación elementos de escollera) – Permeables – Avería
deformación – Emergidos o semisumergidos

– Sumergidos (hc/d < 0.60) – No válidas las fórmulas convencionales

TIPOS DE DIQUES EN TALUD

ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE UN DIQUE EN TALUD ESPALDÓN OLEAJE

NC I PR

O O T N ILTR A F M

L A IP MANTO POSTERIOR

NÚCLEO

BERMA

BANQUETA

TERRENO

Dique en talud. Modos de fallo estructural

Dique en talud. Modos de fallo hidráulico. Rebase y transmisión

PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA SECCIÓN TIPO • OLEAJE • ESTRUCTURALES – Dimensiones de la sección tipo del dique – Elementos de los mantos principal y secundarios – Espaldón

• EMPLAZAMIENTO – Profundidad h – Carrera de marea – Configuración del fondo; pendiente del fondo m

• GEOTÉCNICOS – Características del terreno – Dragado

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL OLEAJE

• Altura de ola – H1/3, H1/10, Hmáx

• Periodo del oleaje – Tp, T1/3, Tmed

• Dirección del oleaje – Ángulo de incidencia β

• Duración del temporal. Persistencia – Número de olas: N

• Parámetros espectrales – Tp, Hmo, γ, dispersión direccional

PARÁMETROS ESTRUCTURALES

• Geométricos. Dimensiones de la sección tipo – Talud – Cotas – Bermas: cota, anchura

• Características de los elementos estructurales – Elementos del manto principal • Tipo y tamaño. Pesos. Densidades. Colocación.

– Mantos secundarios. • Filtros. Tamaños, pesos y densidades. • Manto talud posterior. Tamaños. Densidades.

– Espaldón • Dimensiones

PARÁMETROS ESTRUCTURALES DE LA SECCIÓN TIPO W, γ, Dn

Rc

hs

ht

Ac

B

Materiales utilizados • Características resistentes de los materiales • Materiales de cantera – Densidad – Tamaños de escollera disponibles • Máximos, Mínimos, Granulometrías • Volúmenes necesarios

– Densidad – Forma (redondeado, lajas, etc.,)

• Hormigones – Densidad

ELEMENTOS A DISEÑAR • Núcleo. Talud. Cota y anchura de coronación • Manto principal – Fórmulas empíricas para obtener el peso del elemento – Talud – Tipo de elemento: cúbico, paralelepípedo – Dimensiones: nº de capas, coronación del manto, anchura de bermas (según experiencia)

• Mantos secundarios. Filtros. Condición de filtro • Berma de apoyo; fórmulas • Banquetas. Profundidad, anchura de berma • Espaldón: fórmulas empíricas

CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES DEL MANTO PRINCIPAL • Componente resistente esencial del dique en talud • Efectos del oleaje sobre el manto – Remonte y descenso de la masa de agua – Fuerzas de inercia y arrastre

• Fórmulas: – Peso P, diámetro Dn50 del elemento, densidad γ

• Modos de fallo principales – Fallo global por deslizamiento (se excede la fricción entre capas o la fricción en círculo de deslizamiento) – Fallo por inestabilidad de las piezas – Fallo por rotura de las piezas

MANTO PRINCIPAL. FACTORES DE DISEÑO.

• • • •

Tipo de elemento Peso de los elementos Densidad Forma de colocación – Número de capas – Ordenada o concertada – Densidad de colocación

• Rugosidad de los elementos

Principales tipos de bloques prefabricados

(Coastal Engineering Manual)

MANTO PRINCIPAL: FÓRMULAS DE DISEÑO • Fórmulas empíricas – Desarrolladas en s. XX – Basadas en ensayos de laboratorio en modelo físico – Relacionadas con Ns = H/(∆·D)

• Predicen peso del elemento W ó Dn • Rango de validez

V. Negro (2002)

Manto principal: fórmulas de diseño • Iribarren (1965) – 1938: Ns = f(α) – 1957: introduce la fricción Ns = f(α, f) N d 3 W= ⋅ A ⋅ ( f cos α − sen α ) 3 ( d−1) 3

– Simplificada

N (pieza, avería, equilibrio) f fricción d densidad A = H1/3

W = Q × R × A3

• Corrección de P. Suárez Bores (1976) – HD = H1/10 = 1.27 · H1/3 – Método Sistémico Multivariado

Manto principal: fórmulas de diseño • Hudson (1959) – Numerosos ensayos en modelo físico – Sencillez de aplicación – Coeficiente de estabilidad (tablas) • KD: tronco-morro; ola rota-ola no rota; tipo de pieza; forma de colocación; nº de capas; averías (inicio)

W=

γ ⋅ HD

3

 γ  K D ⋅ cot α ⋅  − 1 γw 

3

• HD = H1/3; HD = H1/10 (B.S); HD = Hb

– Influencia notable de la densidad

Manto principal: fórmulas de diseño • Hudson (1959): principales limitaciones – – – –

Ensayos con pequeñas escalas: efectos de escala Ensayos con oleaje regular Secciones con talud indefinido (irrebasables) No considera periodo (T) ni duración del temporal (N) – No permite determinar el equilibrio hacia arriba o hacia abajo – No distingue el tipo de rotura

Manto principal: fórmulas de diseño • Van der Meer (1988): escollera – – – – – – – –

Oleaje irregular (250 ensayos) Influencia del periodo del oleaje (T, L, som = 2πH/(gT2) Influencia de la permeabilidad P Influencia de la duración del temporal N Influencia del nivel de daño S = Ae/Dn502 Influencia del tipo de rotura de la ola sobre el talud (ξom) Altura de ola de diseño: HD = Hs En profundidades de rotura: HD = H2% = 1.1 – 1.4 Hs

Manto principal: fórmulas de diseño

• Van der Meer (1988): escollera Tiene en cuenta la forma de rotura de la ola SURGING PLUNGING

Hs  S  = 6.2 P −0 .18    N ∆ ⋅ Dn 50

0.2

Hs −0 .13  S  = 1.0 P    N ∆ ⋅ Dn 50

0.2

Valor de transición

(

−0 .5 ⋅ ξ om

si ξ om ≤ ξ t

cot α ⋅ ξ Pom

ξ t = 6. 2 P

0 . 31

tan α

)

si ξ om > ξ t

1 P + 0 .5

Manto principal: fórmulas de diseño • Van der Meer (1988): piezas prefabricadas – Permeabilidad P = 0.4 – Talud = 1.5 (cubos, tetrápodos), 1.33 (acrópodos) Cubo (paralel.) Tetrápodo

Acrópodo

0 .4   −0 .1 Hs Nod =  6.7 0. 3 + 1 ⋅ som ∆ ⋅ Dn  N  0 .5   −0 . 2 Hs Nod =  3.75 0 . 25 + 0.85 ⋅ som ∆ ⋅ Dn  N 

Hs = 3.7 ( Nod = 0; inicio averia ) ∆ ⋅ Dn Hs = 4.1 ( Nod > 0.5; fallo ) ∆ ⋅ Dn

– Profundidades someras: HD = Hb; HD = H2% = 1.1 a 1.4 H1/3

CRITERIO DE ESTABILIDAD (Broderick) Valores de S (escollera) y Nod (bloques)

PIEZA

Daño Inicio de daño moderado

Filtro visible

Escollera

2

3–5

>8

Cubo

0

0.5 – 1.5

2

Tetrápodo

0

0.5 - 1

1.5

Acrópodo

0

-

0.5 V. Negro (2002)

Manto principal: fórmulas de diseño • Burcharth (1991-1992) – Bloques paralelepipédicos

D = nivel de daños (0 – 5 %)

Hs = 1 + 2.72 × D0 . 25 ∆ ⋅ Dn

• Berenguer, J.M. y Baonza, A. (1998) – Bloques cúbicos perforados y antifer perforados – Con y sin espaldón – Taludes 1.5 y 2 – 3 periodos. N = 3000

Hs 0 . 50 = 1.50 + 2.30 × som ∆ ⋅ Dn

Manto principal: fórmulas de diseño • Berenguer, J.M.: bloque BETAS (1998) – Oleaje regular e irregular (taludes 1.5 y 2) – KD = 8.50 Hs = 3.30 × ξ −0 . 20 ∆ ⋅ Dn

Tronco

Hs −0 . 030 = 1.60 × som ∆ ⋅ Dn

Morro

CEPYC

INFLUENCIA DE LA DENSIDAD • • • •

Hudson ______ γ/(γ/ γw – 1)3 Losada_______Sr/(Sr – 1)3 Iribarren______ d/(d – 1)3 Parámetro de alta sensibilidad en la estabilidad de las piezas del manto • Permite reducir el tamaño de las piezas • Bloques de alta densidad – Hormigones con áridos de alta densidad – Bloques de piedra natural de alta densidad

Colocación de piezas del manto • Densidad de colocación. Porosidad – nº de bloques por unidad de área del manto N P   γ   = n × kp ×  1 −   ×  100   W50  A

2 3

– alta densidad → menor porosidad – “Packing density”

P   φ = n × kp ×  1 −   100 

• Forma de colocación – Aleatoria – Concertada • mayor trabazón • mayor rigidez de comportamiento estructural • textura de la superficie: más o menos rugosa

CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES DEL NÚCLEO • Volumen esencial del dique – Construido con material todo uno de cantera (material barato en comparación con resto de capas)

• Funciones – Base de apoyo a mantos secundarios y en su caso al espaldón – Constituir una barrera impermeable frente a la transmisión de la energía del oleaje – Transmisión de esfuerzos al terreno – Plataforma de trabajo para construcción de capas de filtro y manto; paso de camiones para avance de la obra (construcción con medios terrestres)

Dimensionamiento del núcleo: recomendaciones

• Anchura y altura de coronación – según medios constructivos • circulación de vehículos de obra • Dimensiones de la base de la grúa

– requisitos funcionales: anchura de espaldón – Cota: por encima del nivel de agua (0.5 – 1 m sobre PM)

• Taludes de proyecto: Talud manto principal • Granulometría – Intervalos 1 < Wn < 100 kg – Tolerancia: 10% < 1 kg; 5 % > 100 kg – Cuidar condición de filtro con terreno natural y con las diferentes capas

CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES DE LOS MANTOS SECUNDARIOS • Base de apoyo adecuada para el manto principal (y en su caso el espaldón) • Ejerce función de filtro para evitar el lavado de material a través de los huecos • Protección temporal para el núcleo durante el proceso constructivo • Se dimensionan a partir de manto principal

Mantos secundarios. Tamaños • Tamaños y pesos de elementos de mantos secundarios. Condición de filtro. – Se deducen a partir del peso del manto y deben cumplir condición de filtro para evitar pérdidas – Colocar uno o varios filtros entre el manto principal y el núcleo – Se va reduciendo el tamaño a partir del manto y hacia el núcleo hasta alcanzar un tamaño adecuado – SPM. ROM 1.1 – Contacto con el núcleo: 75 < Wn < 150 kg – Recomendación W Wfiltro1 ≈ manto 10 Wmanto W < Wfiltro < manto 15 5 Wfiltro 1 Wfiltro 2 ≈ 10

Banqueta a pie de dique • Protección contra la socavación – En terrenos de baja capacidad portante – Con material del filtro principal o secundario (nunca núcleo)

• Espesor: en número de tongadas – “tongada”: espesor mínimo construible y controlable (0.25 a 0.50 m) – espesor de banqueta: (0.5 a 2.0 m)

banqueta

banqueta

Berma de apoyo del manto • Objetivos – Apoyo del manto principal – Retención de las piezas del manto desplazadas

• Fallo de berma posible fallo del manto • Dimensionamiento – – – – –

Altura de ola de cálculo (Hs); periodo del oleaje Nivel de agua: bajamar (pleamar) Diámetro Dn50 y peso W de la escollera Nivel de daño previsto Anchura de berma: mayor anchura admite mayor nivel de daños antes de fallar – S.P.M.: Anchura ≥ 3Dn – Profundidad mínima ht > Rdmáx – para roturas en colapso (2.5 < Ir < 3.5) se tiene Rdmáx ≈ 0.9 Hmáx

Berma de apoyo del manto • Gerding (1993) – Situación más desfavorable: bajamar – El peralte no influye en la estabilidad de la berma

  Hs h =  0.24 t + 1.6 ⋅ N0od.15 Dn 50 ∆ Dn 50   – En caso de rotura: altura de ola de diseño = H2%

  H 2% h =  0.34 t + 2.2 ⋅ N0od.15 ∆ Dn 50  Dn 50  CRITERIO – Rango de aplicación

{

0.4 <

ht < 0.90 hs

ht 3.0 < < 25.0 Dn 50

Daño Nd = 0.5 inicio Nd = 2 aceptable Nd = 4 fallo

Berma de apoyo del manto

ht

h

h

Apoyo en horizontal

ht Apoyo en contrapendiente

Dimensionamiento de capas: recomendaciones • Anchura de berma de coronación del manto – – – –

según medios constructivos requisitos funcionales ajustar grado de rebase (al menos 2 piezas = 2 x Dn)

• Anchura de la berma de apoyo del manto – según S.P.M.: b = 3 elementos = 3 x Dn50

W b = n × k p ×    γ 

• Espesores de capa – espesor de capa e = 2 x Dn x kp (dos elementos) – espesor mínimo construible y controlable – kp = coeficiente de capa f (forma; colocación)  W t = n × k p ×    γ 

1/ 3

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ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE UN DIQUE EN TALUD ESPALDÓN OLEAJE

NC I PR

O O T N ILTR A F M

L A IP MANTO POSTERIOR

NÚCLEO

BERMA

BANQUETA

TERRENO Condición de filtro: 1 ó 2 capas Resistencia al rebase Resistencia al oleaje zona abrigada

MORRO DE UN DIQUE EN TALUD • Punto singular del dique • Forma cónica • Sectores del morro sometidos a diferentes solicitaciones • Influencia del ángulo de incidencia del oleaje • Problema tridimensional • Mayor peso de piezas con respecto al tronco – Tablas de KD de Hudson – Incrementos 1 – 4 (tipo de bloque, talud) • Bloques cúbicos o paralelepipédicos 1.5 - 2

RESPUESTA ESTRUCTURAL. EVALUACIÓN DE AVERÍAS • Índices de averías – D (%) porcentaje de elementos desplazados – S = Ae/(Dn50)2 – Nod número de elementos desplazados en franja de anchura igual al lado equivalente Nod = N/(b/Dn)

• Nivel de daños cualitativo – Inicio de avería: desplazamiento de algunas piezas (5 %). Criterio de fórmula de Hudson – Avería de Iribarren: piezas de 1ª capa del manto pueden salir – Inicio de destrucción: piezas del filtro pueden salir – Destrucción: salen piezas del filtro

RESPUESTA HIDRÁULICA DE UN DIQUE EN TALUD • • • • •

Remonte (run-up): Ru/H Descenso (run-down): Rd/H Rebase: q Transmisión: Kt Reflexión: Kr

• FACTORES • Oleaje: parámetro de rotura ξ; peralte s = 2πH/gT2 • Porosidad del manto • Porosidad de la estructura • Rugosidad del manto • Forma y ángulo del talud • Cota de coronación (anchura de coronación) (rebase)

Hi

Hr

Dique en talud. Respuesta hidráulica

Ht

RESPUESTA HIDRÁULICA DE UN DIQUE EN TALUD • Predicción – Fórmulas empíricas: parámetro Ru/H (run-up); q (rebase) – Ensayos de laboratorio

• Fórmulas empíricas de cálculo del run-up – – – – – – –

Hunt (1959) S.P.M. (1984) Van Oorschot Allsop (1986) Van der Meer y Stam (1992) De Waal y van der Meer (1994) Losada y Giménez-Curto

• Fórmulas empíricas de predicción de la tasa de rebase (caudal por metro lineal) – Owen (1980) – Bradbury et al. (1988) – Aminti y Franco (1988)

REMONTE (RUN-UP): FÓRMULAS DE PREDICCIÓN

• Van der Meer y Stam (1992) – Ensayos con varios taludes – Diferentes permeabilidades teóricas P = 0.1; P > 0.4 – Oleaje irregular: parámetro Ru2% R 2% = Hs

0.96 · ξom

para ξom < 1.5

1.17 · ξom

para ξom > 1.5

REMONTE (RUN-UP): FÓRMULAS DE PREDICCIÓN

• De Waal y Van der Meer (1994) – Ensayos oleaje irregular con pendientes no porosas – Parámetro de estimación R2% R 2% = 1.50 × γ f × γ b × γ β × γ h × ξ op Hs R 2% = 3.0 × γ f × γ h × γ β Hs

ξ op >

ξ op <

2 γb

2 γb

– Factores γ: se obtienen de gráficos y tablas: • • • •

γf = factor de rugosidad γh = factor de aguas someras γβ = factor de oblicuidad γb = factor de berma

REMONTE (RUN-UP): FÓRMULAS DE PREDICCIÓN

• Losada y Giménez-Curto (1979) – Ensayos oleaje regular – Parámetro de estimación Ru Ru = Au × 1 − exp(Bu × Ir ) H Rd = Ad × 1 − exp(Bd × Ir ) H

(

)

(

)

– Factores Au, Bu; Ad, Bd: se obtienen de tablas según el tipo de pieza • Cubos y paralelepípedos: Au = 1.15; Bu = -0.665 • Escollera: Au = 1.37; Bu = -0.60

DESCENSO (RUN-DOWN): FÓRMULAS DE PREDICCIÓN

• Van der Meer (1988) – Sensibilidad de la permeabilidad teórica – Influencia del tipo de rotura – Ensayos con núcleo permeable e impermeable

R 2% = 2.10 × tag α × − 1.20 × P 0 .15 + 1.50 × e −60 × som Hs

V. Negro (2002)

REBASE • Formas de rebase – Rebase en masa o de lámina de agua – Roción (splash) – Combinación masa-roción

• Viento – Grado de influencia según tipo de rebase

• Tasa de rebase – Caudal de rebase por metro lineal de dique – Tasa admisible • ESTRUCTURAL • FUNCIONAL

REBASE: FÓRMULAS DE PREDICCIÓN • Owen (1980) – – – –

Pendiente suave y coronación plana Oleaje irregular Predice descarga media de rebase Define parámetros adimensionales Q y R

Q = a× e

( −bR )

q

som Q= ⋅ 3 2π π g ⋅ Hs

 R c  som R = ⋅ π  Hs  2π som =

– Parámetros a y b en tablas (apuntes) en función del talud

2 π Hs g Tm2

REBASE: FÓRMULAS DE PREDICCIÓN • De Waal y Van der Meer (1992) – Utiliza la forma exponencial de Owen – Incorpora el run-up Ru2%

q g ⋅ Hs 3

= 8 × 10 −5 × e

− Rc  R 3 .1 u 2%    Hs

– Limites de aplicación: no se debe aplicar en caso de volumen de rebase excesivo o Rc