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

Abstract

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 cuasi estacionarias 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 y proporcional a H2•L; 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.

The present Doctoral Thesis is focused on the assessment of the hydrodynamic performance of a new
type of vertical breakwater with perforated caissons, whose front and rear walls are conformed by
alignments of vertical cylinders separated from each other.
The peculiarities of the typology subject to the research imply some differences in comparison with
other configurations of existing perforated caissons, whilst sharing some others affecting the functional
performance.
As it has been verified, the use of this typology in breakwaters implies some important advantages in
the reduction of wave loads according to the conditions analyzed in this investigation, making it possible
for use in locations with low bearing capacity grounds. Likewise, it improves overtopping conditions,
allowing to lower the top level of the crown wall, which may be relevant when it is intended to reduce
visual impact.
In order to clarify its hydrodynamic performance, to characterize the wave loads’ decrease with respect
to a conventional vertical breakwater and to identify the key variables that drive the process of wavestructure
interaction, a series of simulations with reduced physical models have been carried out in a
flume (2D). These have consisted of 37 tests with different wave heights and period steps, with regular
waves and modifying some geometric parameters of the caisson model, in order to assess the influence
of these main variables in the estimation of dynamic loads’ estimation.
The present investigation has been developed within a well-defined domain regarding the classification
of the breakwater and the wave loads’ type. Particularly, it is focused on the conditions of quasi-static
wave loads on the structure, which can be classified as a vertical breakwater according to the McConell
parameter map (PROVERBS, European Research Project- MAST III Program (1998)). In addition, wave
conditions are located at intermediate depths, with no breaking conditions neither because of the wave
steepness, nor because of shallow depth conditions, so the general principles of linear wave theory are
applicable.
In the same way and to clarify the influence of the wave’s parameters, the tests simulated regular
waves, with a unique pattern of loads’ generation along the series.
The records of maximum loads during the tests were compared with those that would correspond with a
conventional vertical breakwater under the same conditions. Moreover, these comparative results are
faced to those presented by Takahashi in some of his studies with other typologies of perforated
caissons developed along the 90’s, with proportional load reductions which are consistent with those
recorded in this research, given the differences in the configurations of the studied perforated caissons.
Based on the above, it may be said that the conceptual approach adopted in this research is one among
several possibilities used in previous similar works according to the review of existing scientific and
technical literature. As a result of the aforementioned revision, this Thesis proposes a brief general
classification in the conceptual procedures of wave loads’ estimation for the typology of perforated
caissons. In this sense, the conceptual methodology developed here can be considered classified within
the group headed by the reference studies by Bergmann and Oumeraci, carried out in the framework of
the above mentioned PROVERBS Research Project. In addition of the assessment of wave loads’ reduction and as a main result of the research, a new
formulation is obtained that estimates the maximum horizontal wave loads on the structure, which
depends on the basic descriptive parameters of the wave and its energy balance, as well as on the
main geometric parameters of the structure.
Particularly, the three variables used in the formula are: the incident wave energy, averaged magnitude
derivable from the linear wave theory and proportional to H2•L; the relative chamber width (B/L) and the
relative wave height (H/h). The first term mainly governs the magnitude of the resulting loads, while the
other two define the process of energy lamination that occurs in the wave-structure interaction.
The conceptual simplicity of the new formula contrasts with the complex hydrodynamic performance of
the system which is characterized, among others, by a remarkable loss of energy because of the
turbulence in the chamber, i.e., the space between the two walls of cylinders.
The use of this formula (or similar ones with different adjustments in its coefficients depending on the
particular configuration of the perforated caisson) may be of interest in the pre-design phase in specific
locations for this typology, prior to confirmation in the final design stage by physical model tests.
On the other hand, the aforementioned variables are affected by experimental adjustment coefficients
that depend, in turn, on the configuration of some structural elements of the caisson. In particular, it
depends on the upper connecting beam of the front cylinders’ wall, with bracing function between them,
and which affects the pattern of the fill/ebb flood cycle of the chamber.
In addition, the porosity of the front wall in the tests ranged in a relatively close limits of values, since
existing conclusions of some reference works regarding in-line cylinders subjected to continuous flow
were previously adopted. These results have allowed to define porosities that are considered to be near
the optimum from the point of view of reduction of loads. Regarding this aspect, the porosity concept of
the front wall is replaced here by the concept of density of cylinders (Φ), which was first introduced by
Chakrabarti in specific studies regarding the blockage effect of offshore structures.
The above issues are consistent with one of the guidelines derived from the state-of-the-art review of
the existing studies on the use of perforated caissons in breakwaters: the complexity in generalizing
results due to the large number of possible configurations. In this sense, the new formulation can be
considered as an original contribution from the research.
Also, and closely related to this aspect, some additional aspects related to constructive issues should at
least be taken into account for this type of caisson. Depending on the decision-making on those, some
modifications may be raised for specific cases, which would require the adjustment of some of the
proposed coefficients for the formula or even a complete evaluation of its applicability.
Finally, very specific aspects regarding the extrapolation of model-prototype results and some potential
scale effects suggest eventual additional issues for future research.