Volume 12, Issue 2 - June 2012
Download (1.454KB, PDF) |
- Abstract / Resumo
- References / Bibliografia
- Citations / Citações
Revista de Gestão Costeira Integrada
Volume 12, Número 2, Junho 2012, Páginas 159-174
DOI: 10.5894/rgci306
* Submission – October 10, 2011; Evaluation – November 18, 2011;
Reception of revised manuscript – January 27, 2012; Accepted – May 25,
2012; Available on-line – June 14, 2012
Determinação de forças actuantes em quebra-mares verticais e mistos *
Forces on vertical and composite breakwaters
Maria da Graça Neves @, 1, Montse Vílchez 2, Maria Clavero 2,
Miguel A. Losada 2
@ - Corresponding author
1 - LNEC, Av. do Brasil, 101, 1700-066, Lisboa, +351.21.8443426. e-mail: [email protected]
2 - Grupo de Dinámica de Flujos Ambientais. Centro Andaluz de Medio
Ambiente. Avda. del Mediterráneo, s/n, 18006 Granada (Espanha).
e-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
RESUMO
Uma parte importante do dimensionamento de uma obra marítima é a
determinação das resultantes das forças actuantes e, relacionadas com
estas, as deformações, as tensões e as condições de estabilidade da
estrutura.
No caso de quebra-mares verticais e mistos e não se considerando
assentamentos ou outro aspecto mais relacionado com ruina geotécnica,
os modos de ruína da estrutura reduzem-se aos possíveis movimentos de
deslizamento e derrubamento. Para analisar a estabilidade ao
deslizamento e ao derrubamento, pode-se considerar o equilíbrio
estático do sistema, supondo que a acção é constante, e calcular as
resultantes das forças horizontais e verticais a que a estrutura está
sujeita. Uma vez calculadas as resultantes das forças horizontais e de
subpressão, estabelecem-se coeficientes de segurança ao deslizamento e
derrubamento que relacionam as acções favoráveis e desfavoráveis à
estabilidade da estrutura.
Para a determinação das forças em quebra-mares verticais e mistos
utilizam-se fórmulas empíricas (baseadas em ensaios em modelo físico) e
semi-empíricas (baseadas em considerações teóricas e ensaios em modelo
físico) e a modelação física.
As fórmulas empíricas ou semi-empíricas são o método mais utilizado no
projecto para o cálculo das forças. Estas fórmulas têm como grande
vantagem a facilidade de utilização, o que as torna no elemento mais
utilizado na fase de estudo prévio. A sua principal desvantagem deve-se
a que a aplicação directa destas formulações está limitada a estruturas
de geometrias simples e a condições específicas de agitação e níveis de
maré para que foram desenvolvidas. Além disso, algumas destas fórmulas
baseiam-se em hipóteses simplificativas que podem não ser válidas para
casos concretos. Neste artigo apresentam-se as principais fórmulas
disponíveis para o cálculo do diagrama de pressões e, com base, neste,
das resultantes das forças actuantes em quebra-mares verticais e
mistos, as suas características e os domínios de aplicação.
Os modelos físicos são um método bastante fiável para o cálculo de
forças em estruturas monolíticas e permitem reproduzir os fenómenos
físicos sem as simplificações inerentes aos modelos numéricos ou aos
métodos analíticos. No entanto são caros e morosos e podem estar
afectados por efeitos de escala. Descrevem-se neste artigo os
principais métodos de medição de pressões ou forças em modelo físico e
descrevem-se os principais erros no que se refere à determinação das
forças actuantes em quebra-mares verticais e mistos.
Os dados de protótipo são raros mas extremamente importantes já que
permitem verificar a qualidade das previsões obtidas pela aplicação das
fórmulas. Com base em dados de campo medidos no quebra-mar vertical do
Porto de Gijón entre Janeiro e Março de 2010, foi possível fazer uma
apreciação das fórmulas para a determinação da resultante das forças
actuantes em quebra-mares verticais e verificar as principais
deficiências destas fórmulas.
Com base nesses resultados, apresentam-se algumas considerações gerais
e recomendações para melhor estimar a resultante das forças actuantes
em quebra-mares verticais com base na aplicação de fórmulas.
Palavras-chave:
Forças, Pressão dinâmica, Quebra-mares verticais, Quebra-mares mistos,
fórmulas semi-empíricas, modelos físicos, medições de campo
ABSTRACT
An
important issue for a maritime structure design is the determination of
the resultant of the wave forces acting at the structure and the
stability conditions in each part of the structure.
Verification
of failure modes that can affect vertical and composite breakwaters is
essencially related with sliding and overturning and failure related
with geothecnical causes are usually not taken into account. In order
to analyse the safety agains sliding and overturning and calculate the
loads at the structure, the static equilibrium of the system is
considered, assuming that the load are constant. Types of total
horizontal wave loadings on the vertical-front structures are a
function of structure geometry and wave characteristics. Once the
horizontal and vertical resultant of the forces are calculated, safety
factors agains sliding and overturning are established, relating the
resistance force to the applied force in the horizontal and vertical
direction and the stability is verified.
Empirical and semi-empirical formula and physical modeling are the most
frequent used tools to calculate loads in vertical and composite
breakwaters.
At present, empirical or semi-empirical formulas are the most widely
used tools for predicting loads, which have the great advantage of
being very easy to apply. Direct application of these formulas is
limited to particular structural configurations, water levels and wave
conditions. Besides that, the formulas have assumptions that might not
be correct in specific cases. This paper presents the most used
formulas to calculate the pressure diagrams, and based on that, the
loads acting at vertical and composite breakwaters, together with their
main caracteristics and application domain.
A more accurate method for determining loads is based on physical model
tests since they allow the reprodution of the physical phenomena
involved in wave-structure interaction without the simplified
assumptions that are presented in the formulas and at analitycal and
numerical modelling. However, they are more expensive and more time
consuming than the use of formulas and could be affected by scale
effects. The paper presents a summary of the different methods to
measure the pressures and forces in physical models and the main errors
that could affect the measurements of loads at vertical structures.
Prototype data are rather rare but extremely important since it allows
the verification of the formulae accuracy in calculating the loads. The
field measurements made between January and March 2010 at the North
Breakwater of the Port of Gijón (Spain), allowed the analisys of the
accuracy of the loads calculation made by the formulas and define some
main incorrections on the formulas assumptions. Based on these
measurements, some recommendations are presented to increase the
accuracy of the loads predicted by the formulas at vertical and
composite breakwaters.
Keywords:
Wave forces, dynamic pressure, vertical breakwaters, composite
breakwaters, semi-empirical formulae, physical models, prototype
measurements.
Bullock,
G.N.; Obhrai, C.; Peregrine, D.H.; Bredmose, H. (2007) – Violent
breaking wave impacts. Part 1: Results from large-scale regular wave
tests on vertical and sloping walls. Coastal Engineering,
54(8):602–617.
DOI: 10.1016/j.coastaleng.2006.12.002
CIRIA,
CUR, CETMEF (2006) – The Rock manual. The use of rock in hydraulic
engineering. 2nd edition, 1304p., C683, CIRIA (Construction Industry
Research & Information Association), Londres, Reino Unido. ISBN:
978-0860176831
Cooker, M.J.; Peregrine,
D.H. (1990) - A model for breaking wave impact pressures. Proceedings
22nd International Conference on Coastal Engineering, pp.1473-1486,
ASCE (American Society of Civil Engineers), Delft, Hollanda.
Cuomo,
G.; Allsop, W.; Takahashi, S. (2010) – Scaling wave impact pressure on
vertical walls. Coastal Engineering, 57(6):604–609. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2010.01.004
Cuomo,
G.; Piscopia. R.; Allsop, W. (2011) - Evaluation of wave impact loads
on caisson breakwaters based on joint probability of impact maxima and
rise times. Coastal Engineering, 58(1):9–27. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2010.08.003
Fenton,
J.D. (1985) - Wave forces on vertical walls. Journal of Waterway, Port,
Coastal and Ocean Division, ASCE (American Society of Civil Engineers),
111(4):693-717. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-950X(1985)111:4(693).
Goda,
Y. (1974) - New wave pressure formulae for composite breakwaters.
Proceedings of the 14th International Coastal Engineering Conference,
3:1702-1720, ASCE (American Society of Civil Engineers), Copenhagen,
Dinamarca.
Goda, Y. (1985) – Design of
Vertical Breakwaters. In: Y. Goda, Random seas and design of maritime
structures., pp.107-162, University of Tokio Press, Tóquio, Japão.
ISBN: 978-0860083696
Hiroi, I. (1919) - A
formula for evaluating breaking wave pressure intensity in the case of
breaking waves. Journal of the College of Engineering, 11-21, Tokio
Imperial University. Tóquio, Japão.
Kortenhaus,
A.; Oumeraci, H. (1998) - Classification of Wave loading on monolithic
coastal structures. Proceedings of the 26st International Coastal
Engineering Conference, 1:867-880, ASCE (American Society of Civil
Engineers), Copenhagen, Denmark.
Kortenhaus,
A.; Oumeraci, H. (1999) - Scale effects in modeling wave impact loading
of coastal structures. Proceedings of the Hydralab workshop on
Experimental Research and Synergy Effects with Matematical Models,
285-294, Hannover, Alemanha.
Korthenhaus,
A.; Van der Meer, J.; Burchart, H.F.; Geeraerts, J.; Pullen, T.;
Ingram, D.; Troch, P. (2005) - CLASH: D40 Report on Conclusions of
Scale Effects: Workpackage 7: Quantification of Measurement Errors,
Model and Scale Effects related to Wave Overtopping. 565p.,
Universitetsforlag, Alborg, Dinamarca.
Losada,
M.A.; Martin, F.L.; Medina, R. (1995) - Wave kinematics and Dynamics in
Front of Reflective Structures. In: Wave Forces on Inclined and
Vertical Wall Structures,. pp.282-310, ASCE (American Society of Civil
Engineers), Reston, Virgínia, U.S.A. ISBN: 0784400807
Nagai,
S. (1973) - Wave forces on structures. Advances in Hydroscience (ISSN:
0065-2768), 9:253-324, Academic Press, New York, NY, U.S.A.
Oumeraci,
H.; Kortenhaus, A.; Allsop, N.W.H.; de Groot M.B.; Crouch R.S.;
Vrijling J.K.; Voortman H.G. (2001) - Probabilistic Design Tools for
Vertical Breakwaters, 392p., A. A. Balkema, Rotterdam, Holanda. ISBN:
90 580 248 8.
Peregrine, D.H. (2003) - Water-wave impact on walls. Annual Review of Fluid Mechanics, 35:23–43. DOI: 10.1146/annurev.fluid.35.101101.161153
Peregrine,
D.H.; Topliss, M.E. (1994) - The pressure field due to step water waves
incident on a vertical wall. Proceedings of the 24th International
Conference Coastal Engineering, pp.1496–1510, ASCE (American Society of
Civil Engineers), Kobe, Japão.
Pérez-Romero,
D.M.; Ortega-Sánchez, M.; Moñino, A.; Losada, M.A. (2009) -
Characteristics friction coefficients and scale effects in oscillatory
porous flow. Coastal Engineering, 56(9):931-939. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2009.05.002
Sainflou,
M. (1928) - Essai sur les digues maritimes verticals. Annals des Ponts
et Chausses, 1re Partie, (98):4, 5-48, Paris, França.
Schmidt,
R.; Oumeraci, H.; Partenscky, H.W. (1992) - Impact loadas induced by
plunging breakers on vertical structures. Proceedings of the 23rd
International Conference on Coastal Engineering, pp.1545-1558, ASCE
(American Society of Civil Engineers), Veneza, Itália.
Takahashi, S. (1996) - Design of vertical breakwaters. 105p., Port and Harbour Research Institute, Yokosuka, Japão
Takahashi,
S.; Tanimoto, K.; Shimosako, K. (1994) - A proposal of impulsive
pressure coefficient for design of composite breakwaters. Proceedings
of the International Conference on Hydro-Technical Engineering for Port
and Harbour Construction, 489-504, Port and Harbour Institute,
Yokosuka, Japão.
Tanimoto, K.; Moto, K.;
Ishizuka, S.; Goda, Y. (1976) - An investigation on design wave force
formulae of composite-type breakwaters. Proceedings of the 23rd
Japanese Conference on Coastal Engineering, pp. 11–16. Em japonês.
Vílchez,
M.; Clavero, M.; Neves, M.G.; Losada, M. A. (2011a) - Pressões e
subpressões em quebra-mares verticais não galgáveis. 7ªs Jornadas
Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuária, Delegação Portuguesa da
PIANC, Porto, Portugal. Versão electrónica.
Vílchez,
M.; Moyano, J.; Clavero, M.; Losada, M: A. (2011b) - Forces and
subpressures on non-overtoppable vertical breakwaters. Proceedings of
the 6th International Conference on Coastal Structures, COPRI/ASCE
(American Society of Civil Engineers), ASCE, Japão. Em publicação.
Walkden,
M.J.;, Wood, D.J.;, Bruce, T.;, Peregrine, D.H. (2001) - Impulsive
seaward loads induced by wave overtopping on caisson breakwaters.
Coastal Engineering, 42(3):257–276. DOI: 10.1016/S0378-3839(00)00063-6
Wolters, G. (2007) - Guidelines for physical model testing of breakwaters. Rubble mound breakwaters. Hydralab III Report, 39p., Delft, Holanda. Não publicado.
em construção