Unified design method of maritime works against waves

Resumen

Resumen en inglés: INTRODUCTION The increase of the maritime traffic has always gone in parallel with the growth of the international economy, entailing an increase of the ship dimensions and the demand of harbor zones. This implies the design of breakwater in deeper areas and with severer climate conditions. Maritime structures and particularly breakwaters must be designed to satisfy the project requirement and to control wind-wave action (ROM 1.0, 2009). Depending on their typology, breakwaters reflect, dissipate, transmit, and radiate incident wave energy. Thus, the superposition of incident waves and of those generated and transformed by the presence of breakwaters constitutes the set of oscillation patterns that affects the hydraulic performance of the structure (Losada et al., 1997). This evidently signifies that an understanding of the different processes involved in random wave interaction with structures is the basis for the development of reliable engineering design procedures. Three type of breakwater are usually considered in the breakwater design: mound, vertical or composite breakwaters. In the present state of art, there are different formulations to verify the design of a breakwater for the failure modes that can affect the parts and elements of the breakwater in its useful life. These equations are independents for each typology and each failure mode, even in the case of these are produced by the same agent. Therefore, the comparison between alternatives of different breakwater types for the same wave conditions and project requirements are very difficult and unclear. Moreover, there is no a methodology that allows the verification of other different typologies from the three traditional ones and, what is more, for a given breakwater typology, that allows the simultaneous verification of the failure modes produced by the same agent, in this case the wind waves. For several years the Environmental Fluid Dynamics Group (GDFA) of the University of Granada is working to quantify the behaviour of various breakwater typologies design as geometrical evolutions of the three traditional ones, and in particular, in the incident wave energy partition. Continuing this line of work, the aim of this Thesis is to deepen the knowledge of the hydraulic performance results of the wind wave-breakwater interaction and to develop a tool for the unified breakwater design. For this purposed the study will be based on the wave energy transformation by the presence of the structure. METHODOLOGY In order to test different breakwater typologies two methods were implemented: 1) experimental and 2) numerical approaches. The experimental setup was designed based on a parameter list of non-dimensional monomials that represent the breakwater geometry, construction materials, and the incoming wave train. Most of the experiments were performed in the wave flume at the CEAMA-University of Granada (23x0.65x1 m), although other labs also contributed to the data acquisition. Tests were carried out with irregular waves generated by the wave absorption system (AWACS) impinging perpendicularly onto the breakwater and with non-overtopping conditions. The types of breakwaters experimentally tested were the following: A) Porous vertical breakwater (PVB); B) Composite breakwater (CB); C) Low and high mound breakwater and high mound composite breakwater (LMB, HMB and HMCB; D) Rubble mound breakwater with crown wall (RMB-CW); E) Rubble mound breakwater (RMB); F) S-shaped breakwater (SB). The analysis of the time series provided the variables that characterize the hydraulic performance of the breakwater: the modulus and phase of the wave reflection and transmission coefficients and the wave energy dissipation rate caused by the presence of the coastal structures. Furthermore, pressure laws at the breakwater wall and at the bottom of the caisson were measured in the tests. Numerical results were obtained by means of the IH-2VOF model (Lara et al., 2008), based on Navier-Stokes equations. The wave flume was reproduced in the IH2VOF model using a 2DV domain. The variables were obtained in the same way that in the experimental analysis. CONCLUSIONS A unified expression has been obtained to describe the hydraulic performance (reflection coefficient, modulus and phase, transmission coefficient and wave energy dissipation rate) of the different breakwater typologies. The logistic sigmoid function has been found able to describe the behavior of these coefficients for the most common breakwater typologies. Parameters of this curve depend on the dimensions and properties of the parts and elements of the breakwater as well as on the wave characteristics. The logistic sigmoid curves help to include the phase of the reflection coefficient, which is essential to define the wave regime in front of, inside, and leeward of the breakwater. Furthermore, it provided smooth performance transitions between different breakwater types and discriminated the full spectrum of oscillatory regimes stemming from wave-structure interaction. These results make possible to analyze the sensitivity of the breakwater type to different agents, materials, and geometries. An advantage of the sigmoid function is that the hydraulic performance can be defined with a reduced number of tests. Numerical models are being increasingly used in last years to solve this type of problems. An accurately tool to calculate numerically the hydraulic performance of the breakwater has been also presented. For this purpose, a characteristic friction diagram was obtained to evaluate the wave energy transformation inside the porous medium. The friction diagram is based on a linear coefficient that is constant in the porous medium volume and it is stationary in the wave cycle. It was calibrated by minimizing the error in the hydraulic performance between experimental measurements and numerical calculations. This diagram allows to reduce costs and to save time in the breakwater pre-design stage. Finally, in order to verify simultaneously the failure modes that can affect the security, operationality and functionality of a breakwater, the verification equations have been formulated as a function of the kinematic and dynamic characteristic of the flow in front and at the face of the breakwater (e.g.velocity, pressure). The sliding of the superstructure failure mode has been analyzes. It has been proved that the dynamic pressure in the breakwater crawn can be obtained in terms of the total oscillation in front and at the face of the breakwater. The statistical behavior of this total oscillation was analyzed and its probability density function evaluated. The parameters of this pdf can be approximated in terms of the root mean square of the height at the breakwater toe which can be obtained from the modulus and phase of the reflection coefficients obtained from the hydraulic performance curves. All of these results allow the simultaneous verification of the failure modes that can affect the breakwater when the agents which trigger the failure or stoppage mode is the wind waves. REFERENCES Lara, J. L., Losada, I. J., and Guanche, R. (2008). Wave interaction with low-mound breakwaters using a RANS model. Ocean Engineering, 35(13), 1388–1400. doi:10.1016/j.oceaneng.2008.05.006 Losada, I. J., Vidal, C., and Losada, M. A. (1997a). Effects of reflective vertical structures permeability on random wave kinematics. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 123 (December), 347–353. ROM, 1.0-09. (2009). Recomendaciones geotécnicas para obras marítimas y portuarias. Puertos del Estado. Retrieved from http://www.puertos.es/programa_rom/rom_10_09_en.html.  Resumen en español: INTRODUCCIÓN En los últimos años, el incremento del tráfico marítimo ha ido en paralelo con el crecimiento de la economía internacional, suponiendo un incremento en las dimensiones de los buques y la demanda de zonas portuarias. Esto implica la necesidad de diseñar diques en zonas con mayores profundidades y con condiciones climáticas más severas. El diseño de una estructuras marítimas y particularmente de los diques de abrigo debe satisfacer los requisitos de proyecto y controlar la acción del oleaje (ROM 1.0, 2009). Dependiendo de su tipología, los diques de abrigo reflejan, disipan, transmiten e irradian la energía del oleaje incidente. De esta manera, el patrón oscilatorio total que afectará el comportamiento hidráulico de la estructura estará constituido por la superposición del tren incidente y del tren generado y transformado por la presencia de la obra (Losada el al., 1997). Esto significa que para poder desarrollar procedimientos fiables para el diseño de un dique, los diferentes procesos derivados de la interacción del oleaje con el mismo deben ser entendidos. Normalmente se consideran tres tipologías de diques: diques verticales, en talud o mixtos. En el estado actual del conocimiento, la verificación del diseño del dique frente a los modos de fallo que pueden afectar su vida útil se hace de manera independiente para cada tipología y modo de fallo, incluso en el caso de que éstos estén producidos por el mismo agente. Por lo tanto, la comparación entre diferentes alternativas de diques bajo las mismas condiciones de oleaje y requisitos de proyecto es difícil y confusa. Además, no hay una metodología que permita la verificación de otras tipologías diferentes de las tres tradicionales, e incluso para una tipología dada, que permita la verificación simultánea de los modos de fallo producidos por el mismo agente, en este caso el oleaje. Desde hace varios años, el Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales (GDFA) de la Universidad de Granada ha trabajado en cuantificar el comportamiento de algunas tipologías de diques diferentes de las tres anteriores a partir de la partición de la energía incidente. Continuando con esta línea de trabajo, el objetivo de esta Tesis es profundizar en el conocimiento del comportamiento hidráulico de un dique de abrigo resultado de su interacción con oleaje irregular y desarrollar una herramienta de diseño unificada. Para ello, este trabajo se ha basado en los procesos que sufre el oleaje por la presencia de la obra. METODOLOGÍA El análisis de las diferentes tipologías se ha llevado a cabo mediante dos métodos: 1) ensayos experimentales y 2) modelado numérico. Los experimentos se diseñaron a partir de una lista de parámetros adimensionales que representan la geometría del dique, materiales de construcción y características del oleaje incidente. La mayor parte de los ensayos se realizaron en el canal de oleaje del CEAMA-Universidad de Granada (23x0.65x1 m) aunque algunas tipologías fueron ensayadas en otros laboratorios. El oleaje irregular fue generado con un sistema de absorción activa (AWACS) y con incidencia normal y sin rebase. Las tipologías analizadas fueron las siguientes: A) Dique vertical poroso (PVB); B) Dique mixto (CB); C) Dique mixto con berma baja, media y alta (LMB, HMB and HMCB; D) Dique en talud con espaldón (RMB-CW); E) Dique en talud (RMB); F) Dique en S (SB). Del análisis de las series temporales de superficie libre se obtuvieron las variables que caracterizan el comportamiento hidráulico del dique: el módulo y fase del coeficiente de reflexión, el módulo del coeficiente de transmisión y la tasa de disipación de energía. Además, se obtuvieron las leyes de presión en el cajón. Los resultados numéricos se calcularon mediante el modelo IH-2VOF (Lara et al. 2008) basado en las ecuaciones de Navier-Stokes. El canal de oleaje ha sido reproducido en el modelo utilizando un dominio en 2D. La obtención de las variables a partir de los datos del modelo numérico fue la misma que en los experimentos. CONCLUSIONES Se ha obtenido una expression unificada para describir el comportamiento hidráulico (coeficiente de reflexión, módulo y fase, coeficiente de transmisión y fase) de las diferentes tipologías de diques. La función logística sigmoide es capaz de describir adecuadamente la variación de estos coeficientes para todas las tipologías de diques más comunes. Los parámetros de esta curva dependen de las dimensiones y propiedades de las partes y elementos del dique, así como de las características del oleaje incidente. La función sigmoide permite incluir la fase del coeficiente de reflexión en el análisis, cuyo valor es esencial para caracterizar el régimen oscilatorio en el frente, el interior y el trasdós del dique. Además, proporciona modificaciones en el comportamiento del dique según su tipología y describe un abanico completo de regímenes oscilatorios derivados de la interacción. Esto hace posible analizar la sensibilidad del dique en función de los agentes, materiales y geometrías. Una ventaja de la función sigmoide es que el comportamiento hidráulico de un dique puede ser definido a partir de un número reducido de ensayos experimentales. En los últimos años, el uso del modelado numérico para la resolución de este tipo de problemas se está incrementando considerablemente debido al aumento de su capacidad computacional y versatilidad. En este trabajo se presenta una herramienta para calcular adecuadamente mediante modelado numérico el comportamiento hidráulico del dique. Para ello, se ha obtenido un diagrama de fricción característico que permite evaluar correctamente la transformación del flujo en el interior del medio poroso. Éste se basa en un coeficiente de fricción lineal que es constante en el volumen de medio poroso y estacionario en el periodo de la ola. Este coeficiente se ha calibrado minimizando el error en el comportamiento hidráulico medido experimentalmente y calculado a partir de resultados numéricos. El diagrama constituye una herramienta que permite reducir costes y tiempo en el diseño de diques. Finalmente, con objeto de verificar simultáneamente los modos de fallo que pueden afectar la seguridad, operatividad y funcionalidad de un dique, las ecuaciones de verificación han sido formuladas como una función de las características cinemáticas y dinámicas del flujo en frente de la obra (por ejemplo, velocidad, presión). El modo de fallo que considera el deslizamiento del espaldón ha sido considerado para el análisis. Se ha demostrado que la presión dinámica en la pared puede ser calculadas en términos de la oscilación total frente al dique, cuyo comportamiento estadístico ha sido analizado. Los parámetros de la función de densidad de la altura de ola total sobre la berma o talud del dique se han aproximado in términos del valor medio cuadrático de la altura de ola en el pie del dique, que puede ser calculada en función del módulo y la fase del coeficiente de reflexión obtenido de las curvas de comportamiento hidráulico. Estos resultados permiten verificar simultáneamente los modos de fallo que afectan el dique de abrigo cuando el agente que producen el fallo o parada es el oleaje. REFERENCIAS Lara, J. L., Losada, I. J., and Guanche, R. (2008). Wave interaction with low-mound breakwaters using a RANS model. Ocean Engineering, 35(13), 1388–1400. doi:10.1016/j.oceaneng.2008.05.006 Losada, I. J., Vidal, C., and Losada, M. A. (1997a). Effects of reflective vertical structures permeability on random wave kinematics. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 123 (December), 347–353. ROM, 1.0-09. (2009). Recomendaciones geotécnicas para obras marítimas y portuarias. Puertos del Estado. Retrieved from http://www.puertos.es/programa_rom/rom_10_09_en.html.