DISEÑO DE RAMPAS DE VARADA PARA EMBARCACIONES RECREATIVAS. ENFOQUE CONSTRUCTIVO E INGENIERÍA MARÍTIMA
GENERALIDADES
Desde el punto de vista ingenieril, una rampa de varada constituye una obra marítima en la que intervienen disciplinas tan diversas como la hidráulica, la geotecnia, la ingeniería estructural y la durabilidad.
En un artículo anterior analizamos los criterios geométricos y funcionales de diseño de estas rampas, en esta ocasión nos centraremos en los aspectos de ingeniería marítima necesarios a tener en cuenta para garantizar la estabilidad e integridad constructiva de la obra.
Para ello utilizaremos como referencia una actuación real desarrollada por RRG INGENIEROS consistente en la ampliación de una rampa de varada deportiva ubicada en el interior de una dársena existente.
UNA RAMPA DE VARADA ES UNA PEQUEÑA OBRA MARÍTIMA
Como consecuencia y desde el punto de vista de la Ingeniería marítima una rampa de varada engloba diversos elementos que implican el estudio de los factores fundamentales básicos de cualquier otra obra marítima, tales como:
- Aptitud geotécnica del lecho marino
- Estabilidad de banquetas de escollera para cimentación
- Estabilidad y resistencia de muelles o muros laterales
- Rellenos estructurales
- Pavimentos portuarios
- Protección frente a durabilidad
- Protecciones frente a erosión y socavación
Por este motivo, el diseño debe abordarse desde una perspectiva global, requiriendo el estudio Estados Límite hidráulicos, geotécnicos y estructurales como iremos viendo a lo largo del artículo.
NORMATIVA Y BIBLIOGRAFÍA
En el caso desarrollado en este artículo se han tomado como referencia, entre otros, los siguientes documentos:
*Recomendaciones de Obras Marítimas (ROM):
- ROM 0.0: Procedimiento general y bases de proyecto
- ROM 1.0: Configuración marítima de puertos y obras de abrigo
- ROM 1.1: Oleaje y clima marítimo.
- ROM 0.5-05: Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas
- ROM 4.1-94: Proyecto y construcción de pavimentos portuarios
*Código Estructural
*Coastal Engineering Manual: Manual de referencia internacional del U.S. Army Corps of Engineers para el análisis y diseño de obras marítimas y costeras.
*Shore Protection Manual: Documento clásico de ingeniería costera ampliamente utilizado para el estudio de la propagación del oleaje y el dimensionamiento preliminar de protecciones marítimas.
EL PRIMER PASO: CLIMA MARÍTIMO, ¿QUÉ OLEAJE LLEGA REALMENTE A LA RAMPA?
Cuando una infraestructura se encuentra a dentro de una dársena resulta tentador pensar que el oleaje deja de ser un problema importante.
Sin embargo, aunque los diques reduzcan de forma significativa la energía incidente, en ciertos casos parte del oleaje consigue penetrar a través de las bocanas de acceso.
Una vez ha entrado por la bocana esa energía se redistribuye mediante fenómenos de:
- Difracción
- Refracción
- Shoaling
- Reflexión
Como consecuencia, en ciertos casos como el ejemplo que trataremos, pueden generarse alturas de ola suficientemente importantes como para condicionar el diseño de la infraestructura.
Para estimar dicha altura de ola debemos hacer un estudio de Clima marítimo que incluya la estimación de la altura de ola significante Hs en aguas profundas para los temporales dominantes, y su propagación desde aguas profundas hasta nuestra obra como veremos a continuación.
Altura de ola en aguas profundas Hs y periodo de pico Tp:
Para determinar estos parámetros suelen emplearse los procedimientos recogidos en la ROM 1.1-09 «Oleaje y Clima Marítimo», obteniendo para los temporales dominantes parámetros como la altura de ola significante Hs en aguas profundas (profundidad superior a la semilongitud de onda, a partir de la cual el lecho marino empieza a ejercer influencia sobre el oleaje) y el período de pico Tp, que servirán de base para el análisis de propagación posterior, y el cual no obstante asumiremos como constante a lo largo de toda la propagación del oleaje.
Longitud de onda
Se trata de una magnitud fundamental para caracterizar el comportamiento del oleaje frente al medio marino, dado que condiciona los fenómenos de difracción y difracción, y la profundidad a partir de la cual el oleaje en su propagación empieza a “sentir” la acción del lecho marino.
Para estimarla suele recurrirse a la teoría lineal de Airy:
L=Lo·tanh(2πh/L)
Siendo:
- L(m)=longitud de onda a la profundidad h (m)
- Lo=gT^2/2π la longitud de onda en aguas profundas, que a su vez se corresponde con el doble de la profundad ho a partir de la cual el fondo empieza a deformar el oleaje por el fenómeno de la refracción
- g=aceleración de la gravedad (m/s^2)
- T(s)=Tp periodo de pico
En el ejemplo que tratamos:
- T=10 s
- Lo=156 m
- ho=156 m
- L=84 m a 8 m de profundidad (bocana de la dársena)
Propagación del oleaje desde aguas profundas hasta la bocana
Conocidas la altura de ola significante Hs y longitud de onda para el temporal dominante en aguas profundas propagaremos el oleaje con algún método de propagación, siendo uno de los ampliamente utilizados el Método de los planos de oleaje de Iribarren, basado en el análisis gráfico paso por paso del avance de los frente onda desde un profundidad igual a Lo/2 hasta la bocana de la dársena:
A partir de los planos de oleaje se determina cómo se transforma el oleaje desde aguas profundas hasta la bocana, teniendo en cuenta principalmente la refracción producida por la variación de calados y la posible concentración o dispersión de energía entre ortogonales del oleaje, obteniendo la altura de ola en la bocana como:
Hs(bocana)=Kr·Ks⋅Hs(ho)
En nuestro ejemplo obtuvimos tras el análisis de la propagación desde aguas profundas un altura de ola significante Hs(8 m)=3,2 m en la bocana de la dársena.
Propagación del oleaje desde la bocana hasta la rampa
En la mayoría de los casos una vez llega el oleaje a la bocana de una dársena, la propagación interior depende básicamente de fenómenos de difracción y en algunos casos puntuales de la refracción, reflexión y asomeramiento (shoaling).
En el ejemplo que tratamos y dada la pequeña variación de calados desde bocana hasta la obra y la ausencia de paramentos reflejantes, se modelizó la propagación interior como un fenómeno puramente de difracción:
Dado que la abertura de la bocana era de aproximadamente B=40 m y la longitud de onda entrante L(8)=84 m, al ser B<<5L la onda que entra en la dársena se ve gobernada de forma importante por la interacción de ambos morros, por lo que para calcular el coeficiente de difracción global en la abertura se recurrió al ábaco 2-43 del Shore Protection Manual correspondiente a B/L~0,5:
Y entrando con Y/L=66/84 y X/L=19/84 se obtuvo el coeficiente de difracción Kd~0,53 desde bocana hasta la rampa, por lo que finalmente se calculó la altura de ola significante en la rampa como:
Hs,rampa=Kd·Hs,bocana=0,53·3,2=1,7 m
Por otro lado esta altura de hola llega tal cual sin romper a la rampa, dado que en todo momento tanto el calado natural como el de la banqueta de escollera es superior al calado de rotura, que aplicando Criterio de rotura de McCowan será:
hr=Hs/0,78=1,7/0,78=2,2 m<h,banqueta rampa=2,5 m
por lo que el oleaje llega sin romper desde la bocana a la rampa.
SECCIÓN CONSTRUCTIVA
Desde el punto de vista constructivo, la ampliación se resolvió mediante una solución típica para rampas fijas, contando de los siguientes elementos.
- Losa de hormigón en masa para rodadura y maniobra de embarcaciones y vehículos
- Relleno estructural, que sirve de apoyo a la losa y transmite las cargas al terreno
- Muros laterales, encargados del confinamiento de los rellenos y de la definición geométrica de la rampa
- Banqueta de escollera, como elemento de cimentación y protección frente a fenómenos de erosión/socavación
Esta sección se comprobó para los diferentes Estados Límite definidos en las ROM, y a fin de verificar el cumplimiento de los factores de seguridad mínimos y factores de combinación definidos en las Tablas 4.2.1/ROM 05-05 y 2.1/ROM-01-01:
LA BANQUETA DE ESCOLLERA: UN ELEMENTO CLAVE PARA LA ESTABILIDAD Y DURABILIDAD DE LA OBRA
La banqueta de escollera constituye la cimentación, proporcionando apoyo a los muros y rellenos. Su diseño requiere verificar aspectos como la estabilidad hidráulica frente al oleaje, la capacidad portante y las condiciones de filtro entre materiales, con objeto de evitar que los materiales más finos puedan introducirse entre los huecos de las capas más gruesas, así como fenómenos de erosión y socavación.
Dimensionamiento de la banqueta por estabilidad hidráulica
En el caso estudiado, dado que el frente de ola llega prácticamente sin influencia del fondo, resulta más adecuado aplicar la expresión de Van der Meer y Gerding para el cálculo del peso de la escollera que garantiza su estabilidad hidráulica frente al oleaje. Si la escollera estuviera más superficial en cambio, quedando próxima al nivel medio del mar, sería más adecuado utilizar otras expresiones como la de Hudson.
En nuestro caso por tanto obtuvimos según Van der Meer:
- Hs=1,70 m
- Densidad escollera ρr=2,70 t/m3
- Densidad relativa sumergida Δ=(ρr−ρw)/ρw=1,63
- Número de estabilidad Ns=Hs/ΔDn50, cuyo valor depende del grado de sumergencia de la banqueta y del nivel de daño admisible. Para la geometría analizada se obtuvo Ns≈2,74N
- A partir de dicho valor resulta un diámetro nominal equivalente del orden de:
- Diámetro nominal equivalente de la escollera, Dn50≈0,38 m
- Correspondiente a un peso medio aproximado: W50≈150 kg
Por tanto, la escollera proyectada de 100–200 kg resultó compatible con las condiciones hidráulicas para el oleaje de cálculo adoptado.
Dimensionamiento de la banqueta por condiciones de hundimiento
Dado que sobre la banqueta se apoyan los muros para formar la plataforma de la rampa, de acuerdo con lo indicado en los epígrafes 3.5.4.8 y especialmente 3.5.4.8.2.e de la ROM 05-05, para aumentar la capacidad portante de la banqueta como base de cimentación se hubo de adoptar un retranqueo de 2 m de los muros respecto de la coronación de taludes de la banqueta, y dotarla de un talud 2H:1V:
Obteniéndose una carga de hundimiento a partir de Brinch-Hansen y bajo condiciones no drenadas, pvh=198 kN/m² por lo que siendo la presión máxima transmitida por los muros pv=78 kN/m² se superó el factor mínimo de seguridad frente a hundimiento FSh=2,54>2,5 (Cumpliendo).
Por último decir también y no menos importante, que entre los muros y la escollera de la banqueta se debe interponer la llama “capa de enrase” que es una capa granular de grava de granulometría habitualmente 40 a 100 mm para un apoyo regular e uniforme de los bloques.
MUROS LATERALES
Los muros laterales tienen por objeto contener los rellenos de la rampa, definir su geometría y transmitir las cargas a la banqueta de escollera. Se proyectan generalmente como grandes bloques prismáticos de hormigón en masa prefabricados.
Se calculan como muros de gravedad y considerando con los coeficientes de combinación anteriormente indicados, las acciones de:
- Peso propio y cargas muertas transmitidas por la losa de la rampa
- Sobrecarga de explotación
- Empuje de los rellenos de trasdós
- Empuje hidráulico diferencial trasdós-intradós por efecto del oleaje
- Sismo
- Tiro de bolardo
Y comprobando los Estados Límite Últimos según la ROM-05-05, que en el caso estudiado resultaron
- Deslizamiento, Fd=Hr/H con Hr=tan(φ)·Σ(Fv), resultado Fd=2,80->1,5 (Cumple)
- Vuelco rígido, Fv=Mestabilizador/Mvolcador=3,82->1,5 (Cumple)
- Vuelco plástico, FSvp=(Me-V·B*/2)/Mv=1,62->1,50 (Cumple)
- Hundimiento, FSh=pvh/pv=2,54>2,5 (Cumple)
- Estabilidad global, verificando posibles superficies profundas de deslizamiento que involucren conjuntamente muro, rellenos y terreno de apoyo y que en este caso se analizó mediante el método de Fellenius, FS=Σ(Ri)/Σ(Ti)=1,90>1,5 (Cumple):
LOSA DE LA RAMPA
La losa constituye la superficie de rodadura de la infraestructura, debiendo transmitir al terreno las cargas producidas por vehículos, remolques y embarcaciones, además de resistir la acción del ambiente marino y los posibles efectos derivados de asientos diferenciales de los rellenos.
Su dimensionamiento puede abordarse de forma análoga al de un pavimento rígido portuario, siguiendo los criterios recogidos en la ROM 4.1-94 «Proyecto y construcción de pavimentos portuarios».
En el caso estudiado se dispuso una losa de hormigón en masa HM-30 de 50 cm de espesor, superior al mínimo orientativo derivado de la ROM para condiciones de tráfico portuario ligero, adoptándose de forma conservadora para mejorar la robustez de la actuación frente a posibles asientos o pérdidas de apoyo de los rellenos a lo largo de su vida útil.
RELLENOS DE TRASDÓS
Los rellenos de trasdós sirven de apoyo a la losa y permiten transmitir las cargas al terreno y a la banqueta de cimentación. Habitualmente se emplean materiales granulares de cantera de una granulometría mínima para cumplir la condición de filtro respecto a la escollera de la banqueta, evitando así pérdidas de material.
De mismo modo que para el caso de los muros, para el correcto apoyo de la losa sobre los rellenos, se suele colocar una capa de enrase compactada de grava de granulometría aproximada 40–70 mm y espesor aproximado 30 cm.
DURABILIDAD: EL VERDADERO DESAFÍO DE LAS OBRAS MARÍTIMAS
Además de las comprobaciones resistentes y de estabilidad, la durabilidad constituye uno de los aspectos más importantes en el diseño de infraestructuras marítimas, ya que la acción continuada del agua de mar y de los cloruros suele ser el principal factor condicionante de su vida útil.
Por este motivo, resulta habitual emplear hormigones adecuados para ambientes marinos, adoptando las clases de exposición XA y XD/XS según el Código Estructural, así como cementos resistentes al agua de mar (SR/MR) y recubrimientos adecuados en aquellos elementos armados.
En la actuación estudiada se evitó el empleo de armaduras reduciendo así el riesgo de futuras patologías asociadas a la corrosión. No obstante, en aquellos casos en los que resulta necesario disponer armaduras, pueden adoptarse medidas adicionales como el aumento de recubrimientos, la protección de las armaduras mediante sistemas de pasivado o, en situaciones especialmente exigentes, el empleo de acero inoxidable.
CONCLUSIÓN
En un artículo anterior analizamos los principales criterios funcionales y geométricos que intervienen en el diseño de una rampa de varada, abordando aspectos como pendientes, calados, anchuras o condiciones de maniobra. Sin embargo, éstos constituyen únicamente una parte del proceso de proyecto.
Tal como hemos visto en este segundo artículo, el diseño de este tipo de infraestructuras requiere además estudiar aspectos relacionados con la propagación del oleaje, la estabilidad hidráulica de las protecciones, la geotecnia, las estructuras y la durabilidad en ambiente marino.
Por todo ello, y aunque se trata de actuaciones de menor complejidad que otras obras marítimas, su correcto diseño implica analizar diversos factores cuya influencia puede resultar determinante para la seguridad, funcionalidad y vida útil de la infraestructura, por lo que resulta recomendable contar con criterios técnicos adecuados y experiencia en este tipo de actuaciones.
¿Está diseñando una rampa de varada u otra obra marítima?
Si es el caso y lo considera interesante puede solicitar un asesoramiento al respecto de RRG INGENIEROS a través de:
SOLICITE PRESUPUESTO PARA ASESORAMIENTO ESTRUCTURAL
