ES2262405B1

ES2262405B1 - Estructura de baja reflexion.

Info

Publication number: ES2262405B1
Application number: ES200402227A
Authority: ES
Inventors: Francisco Esteban Lefler; Rafael Llamas Bao
Original assignee: FCC Construction SA
Current assignee: FCC Construction SA
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: ES2262405A1

Abstract

La estructura de baja reflexión, objeto de la presente solicitud de patente, se aplica fundamentalmente, pero no exclusivamente, a un cajón flotante de paramento vertical con forma preferentemente paralelepipédica y construido en hormigón en masa, armado o pretensado, y que se encuentra aligerado por celdas. Dichas celdas proporcionan flotabilidad para su traslado y puesta en obra, y ya una vez en su posición definitiva, son rellenadas de material granular, hormigón u otros materiales dotando así al cajón de peso para su función como estructura de gravedad. El cajón se dota de condiciones de baja reflexión, mediante la disposición de ranuras en su paramento exterior, que comunican las aguas libres con cámaras y conjuntos de cámaras de disipación, cuyas formas y dimensiones se establecen para permitir la conjunción de varios mecanismos de disipación de energía, asegurando la eficiencia del dispositivo para un amplio intervalo de condiciones de la agitación incidente.

Description

Estructura de baja reflexión.

Objeto de la invención

La estructura de baja reflexión, objeto de la presente solicitud de patente, consiste en una estructura vertical, con forma preferentemente paralelepipédica y preferiblemente construida en hormigón en masa, armado o pretensado, estando aligerada dicha estructura por celdas, pudiendo estar parte de dichas celdas adaptadas para formar cámaras de disipación de energía.

Dicha estructura puede estar constituida por elementos modulares independientes; por cajones prefabricados que son trasladados hasta su puesta en obra, y ya una vez en su posición definitiva, son rellenados de material granular, hormigón u otros materiales dotando así al cajón de peso para su función como estructura de gravedad; o por bloques que son construidos in situ, es decir, en su lugar de uso.

La invención es de aplicación en estructuras marítimas o fluviales, y en particular en obras de abrigo (diques) y atraque (muelles), debido a sus excelentes condiciones técnicas (que residen principalmente en la reducción de la reflexión de la energía) y económicas.

Antecedentes técnicos

Al incidir el oleaje sobre una estructura marítima o fluvial, una parte de su energía se transmite a través de o sobre dicha estructura, otra parte se disipa y la energía restante es reflejada hacia las aguas libres, bien sea el mar o el río. La transmisión de energía puede ser debida al rebase del oleaje sobre la estructura o al flujo poroso a través de la estructura en caso de que esta sea permeable. La disipación, por otro lado, puede ser producida por turbulencia o por fricción viscosa. En estas estructuras, cuando su función es la de abrigo, es deseable que la energía transmitida no sea elevada. En otras situaciones se pretende reducir la cantidad de energía reflejada, sin incrementar la transmitida. Para ello es necesario crear mecanismos para disipar energía en el proceso de interacción del oleaje con la estructura.

El proceso de reflexión depende de las características de la estructura, geometría y porosidad, así como del oleaje incidente sobre dicha estructura. La proporción de energía que una estructura refleja puede ser cuantificada mediante el coeficiente de reflexión, definido por el cociente entre la altura significante del oleaje que incide sobre la estructura y la altura de ola significante del oleaje reflejado por ella.

Existen diferentes estructuras para la construcción de muelles y diques, principalmente las estructuras de talud y las estructuras verticales. En las estructuras de talud, o de paramento inclinado, la disipación de la energía se produce principalmente debido a la turbulencia generada en el proceso de rotura del oleaje sobre el talud, reflejando una fracción pequeña de la energía incidente en comparación con las estructuras verticales.

Las estructuras de talud, aunque habitualmente muy utilizadas, están siendo en parte desplazadas por las estructuras verticales principalmente debido a diversas cuestiones, tales como restricciones medioambientales, no poder ser directamente utilizables como muelle de atraque y razones económicas.

Por otro lado, las estructuras verticales y principalmente las formadas por cajones flotantes suelen disponer de un paramento liso vertical. Cuando se pretende reducir la reflexión, se suelen disponer en su paramento agujeros o rendijas y se emplean parte de las celdas de la hilera exterior, o todas ellas, como cámaras para la disipación parcial de la energía del oleaje. Dichas soluciones se basan en:

-: la reducción de la reflexión directa al reducir el porcentaje de pared vertical maciza,

-: la disipación de la energía del oleaje mediante fricción en las aberturas, y

-: en la turbulencia generada en las cámaras constituidas en la fila exterior de celdas.

Habitualmente son empleados cajones que presentan un paramento vertical macizo, que refleja en su práctica totalidad el oleaje incidente, llegando en ocasiones a un coeficiente de reflexión próximo a la unidad, habitualmente entre 0,95 y 1. Existen cajones sin cámara de disipación, que se disponen sobre una escollera y sobre el fondo del mar. Este tipo de cajones refleja las olas al chocar contra la pared vertical enfrentada con el oleaje, manteniendo el agua que está en el lado posterior del cajón, tranquila y sin alteraciones.

Estas condiciones de alta reflexión generan básicamente dos tipos de problemas en:

-: Los paramentos de muelles situados en dársenas, ya que dichos paramentos reflejan la energía del oleaje que penetra en dichas dársenas o el que se genera por el paso de buques, creándose condiciones de agitación que dificultan las operaciones de los buques, así como el transbordo de mercancías y pasajeros entre los muelles y los barcos, o en el caso de puertos deportivos, ya que a mayor agitación del oleaje, menor es el confort para los usuarios del puerto.

-: Las zonas próximas al paramento exterior de los diques de abrigo, ya que la superposición del oleaje incidente con el reflejado genera una zona de agitación incrementada que dificulta las maniobras de aproximación a puerto, pudiendo generar peligro en determinados casos y al menos haciendo muy incomoda la navegación, en especial para embarcaciones ligeras.

Asimismo otro tipo de cajón flotante, conocido como cajón tipo Jarlan, presenta una cámara de disipación entre una pared perforada y una pared posterior, colocado sobre una escollera dispuesta sobre el fondo del mar. Dicho cajón presenta en su lado enfrentado con el mar y sobre el que inciden las olas un paramento con una pluralidad de agujeros perforados. El problema principal de este tipo de cajones radica en la distribución del peso sobre la base del cajón, ya que la resultante se desplaza hacia la parte posterior del mismo, alejándose del paramento frontal del cajón. Como resultado de esto las condiciones resistentes del cajón ante el oleaje se reducen debido a la disminución del peso del mismo y al desplazamiento de su centro de gravedad.

Otro tipo de cajón multicelular, dispone de una pluralidad de pasajes curvos en su interior, que van desde su paramento frontal (orientado hacia el oleaje) hasta la parte superior de dicho cajón. Al igual que en el caso anterior, las condiciones resistentes del cajón frente al oleaje empeoran debido a las partes huecas, además de impedirse, debido a la salida del agua por la parte superior, la utilización de la parte superior del cajón para transporte o desembarco de personas, equipos o mercancías.

Habitualmente se diseñan estructuras verticales como soluciones concretas para entornos específicos, no siendo aplicables dichas estructuras a otros entornos para los que no han sido diseñadas.

En vista de lo anterior y para determinados casos, es deseable obtener una estructura vertical con una configuración de baja reflexión de aplicación a distintos entornos. Se han llevado a cabo importantes avances en ese sentido, ya que al permitir una reducción de la reflexión de energía en estructuras verticales marítimas frente a las estructuras verticales de alta reflexión se obtienen las siguientes ventajas:

-: Reducción de la agitación en el interior de dársenas portuarias, facilitando las maniobras de los buques, así como las operaciones de carga y descarga. Esta característica es de particular importancia en aquellas terminales portuarias especializadas con requisitos de alto rendimiento en las que operan buques de grandes dimensiones, y en las instalaciones deportivas.

-: Altura de ola y peralte de ola menores que en estructuras verticales reflectantes, pudiendo afectar a la maniobrabilidad de buques en canales de acceso y otras áreas de navegación,

-: Fuerzas hidrodinámicas menores que en estructuras verticales reflectantes,

-: Menor remonte de oleaje sobre el paramento expuesto de estructura vertical altamente reflectante,

-: Reducción de problemas de erosión en el paramento vertical de la estructura y reducción de socavación al pie de la misma, y

-: Reducción de la energía transmitida por rebase en muelles y diques, reduciendo de esta manera el riesgo para personas, equipos o mercancías.

Las estructuras verticales y en particular los cajones conocidos en el estado de la técnica han sido diseñados y construidos, tal y como ya se ha indicado, habitualmente como soluciones específicas para reducir la reflexión en situaciones concretas, es decir, han sido diseñados con el objetivo de ser empleados en un lugar concreto definido por unas determinadas condiciones de utilización que serán exigidas por dicho lugar de emplazamiento del cajón, siendo escasas las soluciones, como las de tipo Jarlan, con pretensiones de cierta generalidad.

Las soluciones de cajones anteriormente descritas se caracterizan principalmente por un comportamiento con un relativamente bajo coeficiente de reflexión para sus condiciones de diseño, presentando un importante empeoramiento de las condiciones de absorción de energía a medida que nos separamos de las condiciones óptimas para las que fueron diseñadas.

Exposición de la invención

El objetivo de la presente invención es aportar una estructura vertical, y en particular un cajón flotante, cuya eficiencia en la reducción de la reflexión resulte máxima, y se mantenga razonablemente uniforme en todo el intervalo de períodos de oleaje que con más frecuencia incide en las obras de abrigo y atraque, en las condiciones en las que resulta más necesaria la reducción de la agitación, proporcionando además las herramientas técnicas que permitan su diseño preliminar para la gran generalidad de los casos.

Asimismo otro objetivo de la presente invención es que los elementos específicos de disipación de energía que se disponen tengan el mínimo impacto negativo posible en las condiciones de estabilidad del cajón frente al oleaje y demás acciones horizontales.

Para conseguir dichos objetivos se ha desarrollado el caso concreto de un cajón flotante que se describe a continuación en el que se superponen diversos mecanismos de disipación de energía de manera que es posible uniformar la respuesta del cajón desde el punto de vista de la reflexión, al variar las condiciones del oleaje incidente (especialmente el período), en función del mecanismo de reducción de la reflexión que prepondere. La eficacia de dichos mecanismos de disipación es variable en función del periodo de la ola incidente.

El cajón flotante de baja reflexión para la construcción de estructuras marítimas tales como muelles y diques es de forma paralelepipédica, de modo que su yuxtaposición forma las obras lineales de muelles y diques. Una de sus caras verticales forma el paramento vertical que hace frente al oleaje. Dicho cajón se divide en su interior por filas de celdas separadas entre sí por tabiques.

Las celdas pueden tener diferentes configuraciones tales como cuadradas, rectangulares, circulares o poligonales, con unas dimensiones longitudinal y transversal definidas por las longitudes bien de los lados en los casos de celdas cuadradas o rectangulares bien del diámetro del círculo circunscrito al polígono en el caso de poligonales y circulares.

El cajón flotante, preferentemente de hormigón armado, dispone de un conjunto de filas de celdas, al menos dos, cada una de las cuales suele tener, salvo disposiciones especiales, el mismo número de celdas.

En el paramento vertical exterior se disponen ranuras, en un número comprendido entre la unidad y el número total de celdas de la fila exterior, permitiendo que las olas entren en la cámara de disipación formada por la celda o conjunto de celdas que se comunican directamente con las aguas libres a través de la ranura o ranuras, y por las celdas o grupos de celdas que se comunican con ellas por el interior del cajón. La base de dicha ranura se sitúa en altura entre la superficie de apoyo del cajón y un punto, que se encuentra por debajo o al ras del nivel del mar y se extiende en altura hasta la coronación, o parte superior, del cajón. La ranura exterior puede afectar a varias celdas adyacentes, o a una sola celda, pudiendo ser por tanto la anchura de dicha ranura entre un 20% y 300% de la anchura longitudinal de una celda, y la suma total de las longitudes de las ranuras totaliza entre el 15% y el 75% de la eslora del cajón.

La celda o celdas con la ranura exterior y en contacto con las aguas libres, del mar o río, está comunicada con, al menos, la celda adyacente de la segunda fila de celdas, situada inmediatamente a continuación de la primera fila, y formando de esta manera otra cámara de disipación en la segunda fila de celdas. Dichas cámaras (la de la fila exterior y la de la inmediata interior) están comunicadas mediante aberturas cuya dimensión mínima es el 25% de la anchura longitudinal de la celda. Asimismo, todas las celdas de las primera y segunda filas estarán, en general, comunicadas con sus celdas adyacentes. Las aberturas de comunicación con las celdas adyacentes tienen una dimensión mínima del 25% de la dimensión de la celda medida perpendicularmente al paramento.

Para su utilización en la infraestructura portuaria, el cajón flotante es situado sobre la escollera y una vez allí se llenan sus celdas de material de relleno para dotar al cajón de estabilidad frente al oleaje y demás acciones horizontales, como por ejemplo la carga de tierras. En el llenado de las celdas hay que tener en cuenta que las celdas que se encuentran comunicadas con el exterior deben disponer de su solera o fondo determinado por la tapa de sellado de dicho material de relleno, por debajo o al ras del nivel del mar. Asimismo, las cámaras de disipación que no están en contacto directo con el paramento exterior, es decir, aquellas de la segunda fila o las de la primera que no comunican directamente con las aguas libres, deben disponer de su solera o fondo situado a una cota igual o superior a la de situación del fondo de las cámaras comunicadas con el exterior, estando siempre dicha solera o fondo por debajo o al ras del nivel del mar.

La configuración descrita del cajón flotante dota al mismo de un conjunto de mecanismos de disipación de energía que son:

-: Reducción de la reflexión en el paramento vertical exterior del cajón enfrentado al oleaje del mar, debido a las ranuras exteriores situadas en el mismo,

-: Disipación de energía en las ranuras exteriores, tanto durante la entrada de agua (cresta de ola) como a su salida (seno de ola),

-: Disipación de energía por turbulencia en las cámaras interiores dispuestas en las celdas,

-: Disipación de energía, tanto en el exterior como en el interior del cajón mediante el proceso de superposición de trenes de oleaje incidentes y reflejados con diferente ángulo de fase, sentido de propagación y dirección en su caso.

-: Disipación de energía mediante caída de chorro de salida de agua del interior del cajón, en fase de seno de ola, sobre el agua exterior, y por el mismo fenómeno entre las diferentes cámaras de disipación interiores.

Descripción de las figuras

Para facilitar el entendimiento de la invención se incluyen 4 figuras en la presente solicitud de patente cuya finalidad es la mejor comprensión de los fundamentos en que se basa la invención que nos ocupa y un mejor entendimiento de la descripción de una forma preferente de realización teniendo en cuenta que el carácter de las figuras es ilustrativo y no limitativo.

La figura 1 muestra una vista en alzado del cajón objeto de la presente invención desde el lado del mar.

La figura 2 muestra la sección A.A' de la figura 3.

La figura 3 muestra una vista en planta del cajón flotante objeto de la presente solicitud.

La figura 4 muestra una sección del cajón en su instalación definitiva en el caso de un muelle.

Descripción de una forma preferente de realización

El cajón flotante 1 ejemplo del objeto de la presente invención está compuesto por un cuerpo paralelepipédico con un paramento vertical 2 a enfrentarse al oleaje una vez dispuesto el cajón 1 en su posición de trabajo. Asimismo, el cajón 1, como caso particular, está dividido en su interior en cuatro filas 4, 5 que se dividen cada una en once celdas 9 de configuración cuadrada.

Cada una de las celdas 9 de la primera fila 4 dispone de una ranura 3 en el paramento vertical 3 que comunica dichas celdas con el mar, permitiendo que las olas entren en la cámara de disipación que forman dichas celdas. La base de dichas ranuras 3 se sitúa en altura entre la superficie de apoyo 15 del cajón 1 y un punto 7, que se encuentra por debajo o al ras del nivel del mar 6 y se extiende en altura hasta la coronación 16, o parte superior, del cajón 1.

Las celdas 9 con la ranura exterior y en contacto con el exterior o mar, están comunicadas con las celdas adyacentes de la segunda fila 5 de celdas, situadas inmediatamente a continuación de la primera fila 4, formando de esta manera otra cámara de disipación en dicha celda de la segunda fila 5. Asimismo, todas las celdas de las primera 4 y segunda 5 filas pueden estar comunicadas con sus celdas adyacentes, creando cámaras de disipación en dichas celdas.

Para la utilización del cajón 1 en una instalación portuaria de atraque, se dispone un relleno general 10 en la parte del trasdós de la estructura, separado del cajón por un pedraplén 12 y una base de escollera o todo uno de cantera 13 sobre la que se sitúa el cajón 1.

Una vez situado el cajón 1 rellenan las celdas 9 del mismo, de manera que las filas posteriores del cajón 1 se llenan completamente de dicho material de relleno 11. Las celdas o cámaras de disipación de la primera fila 4 se llenan de dicho material de relleno 11 hasta que su solera o fondo 17 se sitúe por debajo o al ras del nivel del mar 6. Asimismo, las cámaras de disipación de la segunda fila 5 se deben llenar del material de relleno 11 hasta que su solera o fondo 8 queda situado a una cota igual o superior a la de situación del fondo 17 de las cámaras comunicadas con el exterior de la primera fila 4, estando siempre dicha solera o fondo 8 por debajo o al ras del nivel del mar 6. En las filas que forman cámaras de disipación de energía, se dispondrá un tapón de hormigón, en masa o armado, sobre el material de relleno, que impida la remoción del mismo por la turbulencia generada en las cámaras, quedando definida la base de la cámara de disipación por la cota superior del citado tapón de hormigón.

El funcionamiento del cajón 1 es de fácil deducción a partir de su estructura constructiva. El oleaje incide sobre paramento vertical 2, reflejando parte de la ola y permitiendo el paso a la cámara de disipación de la primera fila 4 del resto de la misma. Se disipa energía por tanto durante la entrada y salida de agua de las ranuras exteriores 3. Una vez que la ola ha entrado en la cámara de disipación, se crean turbulencias que contribuyen a la disipación de la energía debido al enfrentamiento del oleaje entrante y saliente tanto de las cámaras de disipación de la primera fila 4, cómo de la segunda fila 5.

Asimismo, debido al proceso de superposición de oleajes incidentes y reflejados con diferente ángulo de fase, sentido de propagación y dirección, la disipación de energía se ve favorecida y acentuada.

Una vez que el primer oleaje incidente ha llegado hasta las cámaras de disipación de la segunda fila 5, éste es reflejado hacia la entrada de agua en el cajón 1, generando un chorro de salida de agua del interior del cajón, en fase de seno de ola, sobre el agua exterior, así como entre las cámaras de disipación interiores, disipándose de esta manera energía.

Claims

1. Estructura de baja reflexión para la construcción de estructuras de abrigo, atraque o protección de riberas marítimas o fluviales, tales como muelles y diques, del tipo constituida por elementos paralelepipédicos separados de las aguas libres marítimas o fluviales por medio de un paramento vertical exterior enfrentado a dichas aguas libres y estando dicha estructura aligerada en su interior por filas constituidas por celdas separadas entre sí por tabiques, disponiendo de al menos dos filas de celdas, contando cada una de dichas filas con un número determinado de celdas, y estando dotado el paramento vertical de al menos una ranura en al menos una de dichas celdas de la primera fila, situada inmediatamente detrás del paramento vertical, comunicando dicha ranura al menos la citada celda con las aguas libres, y estando al menos una celda en contacto con la ranura exterior comunicada con al menos una de las celdas adyacentes, bien de la misma fila o de una segunda fila situada inmediatamente detrás de la primera fila, formando dichas al menos dos celdas comunicadas entre sí una única cámara de disipación, caracterizada, porque dispone de dos filas con celdas aligeradas, estando las soleras de las cámaras de disipación de la primera y segunda fila situadas a diferentes niveles.

2. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las cámaras de disipación formadas por las celdas que se encuentran comunicadas con el exterior disponen de su solera o fondo, una vez introducido el material de relleno en las celdas, por debajo o al ras del nivel del mar.

3. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las cámaras de disipación que no están en contacto directo con las aguas libres disponen de su solera o fondo, una vez introducido el material de relleno en las celdas y ejecutado el correspondiente tapón de hormigón, situado a una cota igual a la de situación del fondo de las cámaras comunicadas con el exterior y siempre por debajo o al ras del nivel del mar.

4. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las cámaras de disipación que no están en contacto directo con las aguas libres disponen de su solera o fondo, una vez introducido el material de relleno en las celdas y ejecutado el correspondiente tapón de hormigón, situado a una cota superior a la de situación de las cámaras comunicadas con el exterior y siempre por debajo o al ras del nivel del mar.

5. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las cámaras de disipación están comunicadas con las celdas adyacentes de la misma fila, creando cámaras de disipación en dichas celdas.

6. Estructura, según la reivindicación 5, caracterizada porque dichas cámaras de disipación están comunicadas con las cámaras adyacentes a través de al menos el 25% de su anchura transversal.

7. Estructura, según la reivindicación 5, caracterizada porque dichas cámaras de disipación están comunicadas con las cámaras adyacentes a través de toda su anchura transversal.

8. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque la ranura exterior puede afectar a varias celdas adyacentes.

9. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las cámaras de disipación de la segunda fila se comunican con las cámaras de disipación de la primera fila mediante aberturas en las celdas cuya dimensión mínima es el 25% de la anchura longitudinal de la celda.

10. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque la dimensión horizontal, o anchura, de la ranura exterior está comprendida entre el 20% y el 300% de la anchura longitudinal de una celda.

11. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque la suma de las dimensiones horizontales o anchuras de las ranuras practicadas en su paramento exterior totaliza entre el 15% y el 75% de la eslora total del cajón.

12. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque la base de la ranura se sitúa en altura entre la superficie de apoyo del cajón y un punto situado por debajo o al ras del nivel del mar, extendiéndose en altura hasta la coronación, o parte superior, del cajón.

13. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las celdas son cuadradas, estando determinada su anchura longitudinal y su anchura transversal por las dimensiones del lado del cuadrado.

14. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las celdas son rectangulares, estando determinada su anchura longitudinal por las dimensiones del lado longitudinal y su anchura transversal por las dimensiones del lado transversal.

15. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque las celdas son poligonales, estando determinada su anchura longitudinal y su anchura transversal por el diámetro del círculo circunscrito al polígono.

16. Estructura, según la reivindicación 1, caracterizada porque es un cajón flotante.