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Descripción Espectral del Oleaje

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<strong>Descripción</strong> <strong>Espectral</strong><br />

Afonso<br />

ewlett‐Packard<br />

<strong>del</strong> <strong>Oleaje</strong><br />

[Seleccionar fecha]<br />

ASIGNATURA<br />

INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

PROFESOR<br />

LUIS ARAGONÉS POMARES<br />

CARRERA<br />

INGENIERÍA DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS<br />

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ALICANTE<br />

ALUMNOS<br />

FRANCISCO DAVID RIPOLL LÓPEZ<br />

ALFONSO MUÑOZ GEA<br />

JESÚS PAYÁ CANTÓ<br />

VICENTE VICTOR MILLÁN CONTRERAS<br />

ENRIQUE ESPINOSA LÓPEZ


INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL<br />

OLEAJE<br />

ÍNDICE:<br />

1. INTRODUCCIÓN A LA DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE .................................................................. 3<br />

2. CURVA DE ESTADO DE LA MAR ............................................................................................. 3<br />

3. ENERGÍA DE UNA OLA. ESPECTRO ......................................................................................... 5<br />

3.1 ESPECTRO FRECUENCIAL O DENSIDAD ESPECTRAL ............................................................. 8<br />

3.2 ESPECTRO DIRECCIONAL ..................................................................................................... 9<br />

4. MODELOS ............................................................................................................................ 10<br />

4.1 MODELOS DE LA PRIMERA GENERACIÓN ......................................................................... 10<br />

4.2 MODELOS DE LA SEGUNDA GENERACIÓN ........................................................................ 11<br />

4.3 MODELOS DE LA TERCERA GENERACIÓN .......................................................................... 11<br />

4.4 MODELOS APLICADOS AL ESPECTRO FRECUENCIAL ......................................................... 12<br />

4.4.1 Pierson‐Moskowitz (1964).................................................................................. 13<br />

4.4.2 JONSWAP (Joint Nort Sea Wave Project, 1973) ................................................ 13<br />

4.4.3 Bretscheneider (1959) ........................................................................................ 15<br />

4.4.4 Goda (1985)......................................................................................................... 15<br />

4.5 MODELOS APLICADOS AL ESPECTRO DIRECCIONAL .................................................... 15<br />

4.5.1 Distribución normal ............................................................................................ 15<br />

4.5.2 Distribución coseno cuadrado ............................................................................ 16<br />

4.5.3 Mitsuyasu (1975) ................................................................................................ 16<br />

5. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 17<br />

6. CASO PRÁCTICO ................................................................................................................... 18<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

1. INTRODUCCIÓN A LA DESCRIPCIÓN DEL OLEAJE<br />

La superficie <strong>del</strong> mar, como puede ver cualquiera que la observe desde la costa ó la<br />

cubierta de un barco, no es en absoluto un conjunto de trenes de ondas periódicas y de forma<br />

constante. Son masas de aguas que aparecen y desaparecen sin, aparentemente, ningún<br />

orden, pequeñas ondas viajando en todas direcciones, contribuyen a dar un aspecto caótico a<br />

la superficie <strong>del</strong> mar.<br />

El objetivo de la descripción <strong>del</strong> oleaje es desarrollar un mo<strong>del</strong>o aleatorio que reproduzca<br />

la irregularidad, desorden, de la superficie <strong>del</strong> mar. Caracterizar probabilísticamente las<br />

variaciones de esta superficie, utilizando un número limitado de parámetros representativos.<br />

Estudiar la evolución de estos parámetros a lo largo <strong>del</strong> tiempo, años para así obtener<br />

información directamente utilizable en el diseño de estructuras marítimas.<br />

Un método para representar el aspecto aleatorio de la superficie <strong>del</strong> mar consiste en<br />

utilizar el espectro <strong>del</strong> oleaje. El concepto de espectro se le atribuye a Newton quien, haciendo<br />

estudios sobre la luz, descubrió que podía descomponerse en una gama, o espectro, de<br />

diferentes colores con la ayuda de un prisma. La técnica de descomposición de un fenómeno<br />

complejo en múltiples fenómenos simples conocidos se ha utilizado continuamente para<br />

analizar los problemas físicos.<br />

Figura 1. Descomposición de la luz<br />

2. CURVA DE ESTADO DE LA MAR<br />

Consideremos un perfil de la superficie de la mar obtenido en un punto fijo mediante una<br />

boya de medida.<br />

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DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Figura 2. Registro de oleaje. Representación <strong>del</strong> nivel <strong>del</strong> mar con respecto <strong>del</strong> tiempo.<br />

Este perfil suele denominarse registro de oleaje, y se representa la elevación <strong>del</strong> nivel <strong>del</strong><br />

mar respecto <strong>del</strong> tiempo. Es discreto puesto que el sensor <strong>del</strong> oleaje obtiene puntos (elevación<br />

<strong>del</strong> nivel <strong>del</strong> mar) cada cierto tiempo. Y pese a que se representen mediante líneas uniendo los<br />

puntos obtenidos, no deben confundirse con funciones continuas<br />

Suponiéndose un registro de un estado <strong>del</strong> mar determinado, si se tiene en cuenta tanto<br />

la dirección de propagación de los diferentes frentes como el abanico de frecuencias de cada<br />

una de las olas, la forma irregular de la superficie <strong>del</strong> mar se podría separar en una serie de<br />

múltiples armónicos, esto es utilizando el análisis armónico de Fourier, que permite lograr una<br />

aproximación a la curva de estado <strong>del</strong> mar real mediante la suma de una serie de armónicos<br />

simples, esto es:<br />

Donde:<br />

(Ecuación 1)<br />

λ = longitud de onda<br />

= número de onda<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Figura 3.Descomposición <strong>del</strong> estado de la mar en múltiples armónicos.<br />

3. ENERGÍA DE UNA OLA. ESPECTRO<br />

La energía de una ola se divide en dos partes iguales:<br />

1. Energía potencial: desplazamiento de las partículas de su posición de equilibrio. Resulta de<br />

esa parte de masa de fluido de la cresta sobre el valle de la onda.<br />

2. Energía cinética: movimiento de las partículas. Resulta de las velocidades de las partículas<br />

asociada con el movimiento de la onda.<br />

De esta manera, la energía total en una onda es dada por:<br />

donde: “E” es la energía de la ola en Julios/m 2 , "ρ" es la densidad <strong>del</strong> agua de mar en<br />

kg/m 3 , "g" la aceleración gravitacional en m/s 2 , y “a” y “H” son la amplitud y la altura de ola<br />

respectivamente en metros (H=2ª). Nótese que la energía es proporcional a la altura de la<br />

onda al cuadrado.<br />

Sin embargo, ya hemos visto que en realidad el océano no se compone de ondas<br />

sinuosoidales puras, sino más bien son una superposición de muchas de ellas, cuya superficie<br />

puede ser reconstruida como suma de ondas sinosoidades de amplitud variable.<br />

La distribución de energía de esas ondas, representativas de la curva <strong>del</strong> estado <strong>del</strong> mar<br />

real, respecto a la dirección y la frecuencia de presentación se le conoce como espectro de<br />

oleaje o espectro completo<br />

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DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Cuando no se tiene en cuenta las direcciones de propagación, integrándose todas ellas en<br />

una sola, el tipo de espectro que se obtiene es el llamado espectro escalar o espectro de<br />

frecuencias, y la serie de armónicos se simplifica tomando la siguiente expresión:<br />

(Ecuación 2)<br />

Supongamos un registrador de oleaje capaz de extraer la energía correspondiente a cada<br />

onda componente, con su dirección (θ) y frecuencia (ω). La expresión gráfica <strong>del</strong> registro de la<br />

totalidad de las ondas componentes es una especie de campana orientada en la dirección<br />

principal <strong>del</strong> viento y con un máximo para esta dirección correspondiendo con la frecuencia <strong>del</strong><br />

grueso <strong>del</strong> temporal, ver figura.<br />

Figura 3.Representación <strong>del</strong> espectro de los armónicos en función de la dirección y frecuencia.<br />

Si, como es frecuente, estuviésemos interesados únicamente en los niveles, olvidándonos<br />

de las direcciones, nuestro registrador nos proporcionaría unos resultados como los de la<br />

figura 4, que corresponde a la integral <strong>del</strong> espectro completo S (f,θ) con respecto a la dirección<br />

(θ), es decir;<br />

(Ecuación 3)<br />

Figura 4.Representación <strong>del</strong> espectro en función de la frecuencia.<br />

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DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Cuando los periodos presentes en el oleaje se extienden a la totalidad <strong>del</strong> intervalo (0,∞)<br />

se dice que el oleaje está totalmente desarrollado. En otro caso se llama oleaje parcialmente<br />

desarrollado.<br />

La energía que una ola adquiere depende de 3 cosas básicamente:<br />

1.‐ la magnitud <strong>del</strong> viento que sopla sobre la superficie <strong>del</strong> océano<br />

2.‐ el tiempo que sopla el viento<br />

3.‐ el alcance o superficie sobre la cual sopla el viento.<br />

Como se ve en esta figura, el tamaño y posición <strong>del</strong> pico <strong>del</strong> espectro varía conforme varía<br />

la velocidad <strong>del</strong> viento. A menor velocidad menor altura de ola y frecuencia mas alta (o<br />

período mas bajo).<br />

Figura 5. Variación de la energía con respecto la velocidad <strong>del</strong> viento que produce el oleaje.<br />

Dada una magnitud <strong>del</strong> viento, es posible que la energía de la ola esté limitada por el<br />

alcance (fetch) o por el tiempo. Por ejemplo: el alcance no fue suficiente para alcanzar mayor<br />

energía, o el viento no sopló suficiente tiempo. Hay un alcance, para una velocidad, que<br />

soplando cierto tiempo, la energía que adquiere el océano se equilibra con la energía que se<br />

pierde (esto se hace básicamente por rompimiento de la cresta de la ola), y se obtiene un<br />

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DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

océano en completo desarrollo (OCD) (en inglés “Fully Development Sea” o FDS). Es decir, la<br />

altura de las olas alcanza un equilibrio, no crecen indefinidamente por más alcance o tiempo<br />

que sople el viento.<br />

3.1 ESPECTRO FRECUENCIAL O DENSIDAD ESPECTRAL<br />

Usualmente se utiliza el espectro frecuencial para calcular el espectro. La idea <strong>del</strong><br />

espectro frecuencial de oleaje es separar por frecuencias o periodos, o bandas de frecuencias<br />

o periodos, la energía de oleaje contenida en un estado <strong>del</strong> mar determinado.<br />

Como la energía de una ola viene determinada por:<br />

Siendo H = 2a<br />

(Ecuación 4)<br />

Pero frecuentemente se suprime el término constante<br />

y se halla por frecuencias de<br />

valor de<br />

, figura 5, transformándose en un espectro de varianza.<br />

Figura 6. Definición de un espectro de frecuencia (E,f) o de varianza (a2,f)<br />

En la práctica, la energía E ,se calcula para valores discretos de la frecuencia de grupos de<br />

olas, esto es la frecuencia se toma como valor representativo medio de un intervalo de<br />

frecuencias, y por tanto el valor de ordenadas representa no la energía sino la densidad de<br />

energía S(f), esto es la energía por unidad de frecuencias.<br />

Una vez conocido el espectro de frecuencias, a partir de él se puede obtener una serie de<br />

parámetros representativos <strong>del</strong> oleaje y de ese estado <strong>del</strong> mar, análogamente al tratamiento<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

estadístico dado al estado <strong>del</strong> mar. Estos parámetros se suelen deducir de los momentos de la<br />

distribución S(f), definiéndose el momento de orden n <strong>del</strong> espectro como:<br />

(Ecuación 5)<br />

Así, por ejemplo, el momento de orden 0, m 0 , que representa el área encerrada por el<br />

espectro vendría dado por:<br />

La altura cuadrática media, H rms representa la altura de la sinusoide que tuviese la misma<br />

energía que el estado <strong>del</strong> mar estudiado, y por tanto su valor es fácilmente deducible de la<br />

propia definición de la energía:<br />

(Ecuación 6)<br />

La altura de ola deducida <strong>del</strong> espectro más representativa es aquella que su valor sea<br />

similar al de la altura de ola significante H 1/3 obtenida mediante tratamiento estadístico <strong>del</strong><br />

mar. Esta altura de ola es la llamada H m0 , que se deduce de H rms multiplicado por, esto es:<br />

(Ecuación 7)<br />

La diferencia entre H 1/3 y H m0 es muy pequeña pudiéndose tomar un valor de 1,05∙H 1/3 =<br />

H m0 .<br />

Las frecuencias y periodos espectrales más comúnmente usados son: la frecuencia y<br />

periodo de pico (f p y T p ) y el periodo de las olas correspondiente a la frecuencia media <strong>del</strong><br />

espectro .<br />

3.2 ESPECTRO DIRECCIONAL<br />

En muchas ocasiones el conocimiento <strong>del</strong> espectro frecuencial<br />

) resulta insuficiente,<br />

siendo necesario el empleo <strong>del</strong> espectro completo . Sin embargo la determinación de<br />

este espectro es por el momento inabordable desde el punto de vista de las aplicaciones<br />

prácticas.<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

(Ecuación 8)<br />

Un mo<strong>del</strong>o de espectro direccional puede obtenerse admitiendo que el espectro<br />

completo puede ser expresado como el producto de dos factores: el espectro de<br />

frecuencias y de la función de distribución direccional, que modula, por así decir, sobre un<br />

cierto sector la enegría contenida en el espectro frecuencial.<br />

(Ecuación 9)<br />

Teniendo que cumplir la función de distribución direccional :<br />

(Ecuación 9)<br />

Cualquier función que cumpla la condición fundamental, Ecuación 9, podría ser<br />

usada. Sin embargo las observaciones realizadas muestran que la forma <strong>del</strong> espectro<br />

direccional más apropiada es la simétrica con respecto al eje θ = 0.<br />

4. MODELOS<br />

Cuando un ingeniero se enfrenta al análisis de una estructura sometida a la acción <strong>del</strong><br />

oleaje, frecuentemente sólo posee como datos una altura de la ola característica y un periodo<br />

característico. No puede, por tanto, obtener S(f) a partir de un registro η(t), por el<br />

procedimiento indicado. Por este motivo, es necesario hipotetizar una forma de la función S(f).<br />

Los parámetros de la expresión funcional hipotetizada se evaluaran a partir de los datos<br />

disponibles (usualmente H y T característicos).<br />

4.1 MODELOS DE LA PRIMERA GENERACIÓN<br />

Su particularidad consiste en que utilizan la ecuación <strong>del</strong> balance energético de forma<br />

desacoplada. Cada componente <strong>del</strong> oleaje, de frecuencia y dirección dadas, se propaga y<br />

evoluciona de forma independiente de las demás. Además, asumen teorías lineales de<br />

generación: la resonante de Phillips (1957) (presente en la fase inicial y con crecimiento lineal)<br />

y la de interacción viento‐oleaje de Miles (1957) (con crecimiento exponencial). La función<br />

generatriz se define como suma de dos términos, crecimiento y disipación. Se presupone, por<br />

otra parte, una limitación en el nivel de energía que puede llegar a alcanzar cada componente.<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

El primero es el llamado DSA (densités spectrales angulaires). Se basa en la ecuación <strong>del</strong><br />

balance espectral de energía, planteada por Gelci, Cazale y Vassal (1956‐57).<br />

El tratamiento numérico de la previsión, Lebel y Gelci (1959), Gelci, Devillaz y Chavy<br />

(1964) y Devillaz (1965), junto con el incremento en el número de datos de oleaje disponibles<br />

y en su calidad, producen sucesivas mejoras. Un descendiente de este mo<strong>del</strong>o sigue operativo<br />

en Francia para la obtención de predicciones sistemáticas.<br />

A medida que el oleaje incorpora energía, bajo la influencia <strong>del</strong> viento, los efectos no<br />

lineales entre componentes ganan importancia. En particular, la interacción no lineal entre<br />

dos, tres y cuatro componentes fue sucesivamente tratada por Stokes (1847), Phillips (1957) y<br />

Hasselmann (1962,63,76).<br />

La teoría de Hasselmann, que involucraba formulaciones más potentes, conduce a la<br />

previsión –confirmada posteriormente con datos‐ de un mecanismo conservativo de<br />

redistribución energética entre las componentes <strong>del</strong> espectro; mecanismo que condiciona y<br />

hace invariante la forma <strong>del</strong> espectro <strong>del</strong> oleaje en su evolución. Esta invarianza se mantiene<br />

en la medida en que la entrada de energía, desde la atmósfera, sea lo suficientemente lenta<br />

como para que la interacción no lineal tenga lugar.<br />

4.2 MODELOS DE LA SEGUNDA GENERACIÓN<br />

La aceptación <strong>del</strong> nuevo mecanismo y su aplicación a la predicción necesitaba de su<br />

confirmación y cuantificación experimental. Esta tiene lugar a raíz de la campaña de medidas<br />

Jonswap (1973). Contando con las aportaciones anteriores, surgen en los años setenta los<br />

mo<strong>del</strong>os de la segunda generación. Aplicando la idea de la evolución de un mar de viento<br />

según una forma espectral invariante, y contando con medidas suficientes, parametrizan de<br />

esta forma, y la predicción <strong>del</strong> oleaje queda transformada en la predicción de los parámetros<br />

que definen la forma de su espectro.<br />

La mayoría de los mo<strong>del</strong>os utilizan únicamente un parámetro, que suele identificarse con<br />

el contenido total de energía E, o con la frecuencia de pico fp. A lo largo <strong>del</strong> desarrollo de los<br />

mo<strong>del</strong>os de la segunda generación surgen dos tipologías diferenciadas. Los mo<strong>del</strong>os CH<br />

definen una forma invariante <strong>del</strong> espectro, lo cual limita mucho la distribución frecuencial de<br />

energía. Los mo<strong>del</strong>os CD, en cambio, no presuponen una forma invariante; pero dadas las<br />

limitaciones, en la práctica han de prefijar una forma espectral límite en las zonas de altas<br />

frecuencias, f > fp.<br />

Hasselmann et al. (1976) introducen un mo<strong>del</strong>o con dos parámetros, a raíz <strong>del</strong> cual surgen<br />

numerosos resultados que combinan el mo<strong>del</strong>o paramétrico o acoplado –para predecir el mar<br />

de viento (sea)‐ y el desacoplado –para el mar de fondo (swell)‐.<br />

4.3 MODELOS DE LA TERCERA GENERACIÓN<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

El desarrollo de los mo<strong>del</strong>os de la tercera generación (EXACT‐NL y WAM) se inicia con la<br />

idea de realizar la predicción <strong>del</strong> oleaje a partir de las formas teóricas conocidas de la función<br />

generatriz –transferencia de energía <strong>del</strong> viento al oleaje‐, integrando la ecuación <strong>del</strong> balance<br />

energético sin añadir restricción alguna a la solución, WAMDI Group (1988). Con este<br />

planteamiento, surge un mo<strong>del</strong>o en el que no hay formas predefinidas de la distribución<br />

direccional de energía D(f,e), ni niveles de saturación E(t) prefijados.<br />

La diferencia entre los mo<strong>del</strong>os EXACT NL y WAM radica en que, mientras el EXACT NL<br />

realiza el cálculo numérico exacto, mediante la integral de Boltzmann de cinco dimensiones<br />

extendida a todo el espectro, el WAM efectúa una parametrización con igual número de<br />

grados de libertad que el espectro.<br />

Actualmente (Günther et al., 1992), el mo<strong>del</strong>o WAM es operacional, en su versión global,<br />

en el Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo (ECMWFD) y en el Meteorology and<br />

Oceanography Center (METOC). Además el Programa de Clima Marítimo, de Puertos <strong>del</strong><br />

Estado, realiza previsiones –dos por día, con una amplitud temporal de 72 horas‐ con el<br />

mo<strong>del</strong>o WAM en el Atlántico Norte y en el Mediterráneo.<br />

Figura 7. Espectro direccional dado por un mo<strong>del</strong>o de tercera generación<br />

4.4 MODELOS APLICADOS AL ESPECTRO FRECUENCIAL<br />

En la práctica, los espectros de frecuencias se pueden calcular por distintos métodos,<br />

siendo común utilizar el algoritmo de Cooley‐Tukey (1965) conocido como transformación<br />

rápida de Fourier (FFT) 1 , si bien hay que resaltar que la diferencia existente entre espectros<br />

calculados por métodos distintos obtienen resultados muy similares.<br />

1 FFT; (<strong>del</strong> inglés Fast Fourier Transform) Es un algoritmo que permite calcular la transformada de<br />

Fourier discreta (DFT) y su inversa. El algoritmo pone algunas limitaciones; la señal de la que se tomaron<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Desde que se comenzó a aplicar la teoría espectral en el tratamiento de un estado de mar,<br />

se ha intentado mo<strong>del</strong>izar espectros teóricos que representen los espectros teóricos más<br />

usualmente empleados, teniendo como precedente el desarrollado por Neumann (1953) que<br />

utilizó para su desarrollo datos visuales de oleaje y el método PNJ de Pierson et al. (1955).<br />

Los dos mo<strong>del</strong>os más utilizados en el caso de las olas de viento son el espectro de Pierson‐<br />

Moskowistz (PM) y el espectro Jonswap (J):<br />

4.4.1 Pierson‐Moskowitz (1964): Válido para oleaje totalmente desarrollado:<br />

Para representación de mares completamente desarrollados en aguas profundas (mares<br />

en los que el viento ha actuado con duración suficiente sobre la superficie para que todas las<br />

ondas componentes posibles estén presentes).<br />

4.4.2 JONSWAP (Joint Nort Sea Wave Project, 1973):<br />

Posee 5 parámetros: aceleración de la gravedad, frecuencia de pico (frecuencia en la que<br />

ocurre el máximo de la función de densidad espectral), parámetro de apuntamiento,<br />

parámetro de escala<br />

Para mares parcialmente desarrollados (no todas las ondas componentes están<br />

presentes). Se obtuvo como resultado de una campaña de medidas en el Mar <strong>del</strong> Norte en<br />

condiciones de feth (superficie sobre la que sopla el viento para generar un oleaje) limitado.<br />

muestras y que se va a transformar debe consistir de un número de muestras igual a una potencia de<br />

dos. La transformada discreta de Fourier se define como:<br />

La evaluación directa de esa fórmula requiere O(n²) operaciones aritméticas. Mediante un algoritmo FFT<br />

se puede obtener el mismo resultado con sólo O(n log n) operaciones. En general, dichos algoritmos<br />

dependen de la factorización de n pero, existen FFTs para cualquier n, incluso con n primo<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Figura 8. Espectro medido (azul) y el espectro Jonswap ajustado (línea roja) para un oleaje tipo<br />

swell (figura superior) y un oleaje compuesto por dos oleajes<br />

Los estados de mar tipo swell se identifican con un coeficiente de correlación lineal<br />

alto en el ajuste al espectro JONSWAP. Quedan, por tanto, despreciados todos aquellos<br />

estados de mar tipo sea y los compuestos de sea y swell,<br />

Las comparaciones sobre el contenido energético de los espectos PM y Jonswap, son<br />

erróneas o, al menos, carecen de sentido, pues son aplicables a estados <strong>del</strong> mar diferentes.<br />

Figura 9. Comparativa entre el mo<strong>del</strong>o de Jonswap y el de Pierson‐Moskowitz<br />

Para frecuencias pequeñas y grandes, figura 8, los espectros teóricos tipo Pierson‐<br />

Moskowitz (P‐M) y JONSWAP son similares, teniendo este último un pico mucho más acusado<br />

que el resto de los espectros escalares o de frecuencia teóricos.<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Otros mo<strong>del</strong>os menos empleados son:<br />

4.4.3 Bretscheneider (1959): Válido para fetch finitos en función de la altura de ola<br />

media Hm y <strong>del</strong> periodo medio Tm:<br />

4.4.4 Goda (1985): Este espectro tiene la facilidad de estar expresado como función<br />

de la altura y periodo de ola significante:<br />

Donde:<br />

f = frecuencia<br />

S(f) = densidad espectral<br />

g = aceleración de la gravedad<br />

Uz = velocidad <strong>del</strong> viento a una altura z<br />

f p =frecuencia <strong>del</strong> pico <strong>del</strong> espectro<br />

f = longitud <strong>del</strong> fetch<br />

λ p = 0,07 para f ≤ f p , 0,09 para f > f p<br />

γ f = 0,03<br />

H 1/3 = altura de la ola significante<br />

T 1/3 = periodo de la ola significante = 1,05/f p<br />

4.5 MODELOS APLICADOS AL ESPECTRO DIRECCIONAL<br />

4.5.1 Distribución normal: La campana gausiana orientada a la dirección media,<br />

,toma el valor como función de distribución de direcciones:<br />

⎛ θ ⎞<br />

G⎜<br />

⎟ =<br />

⎝ f ⎠<br />

1<br />

2⋅<br />

π ⋅σ<br />

2<br />

⋅e<br />

2<br />

−(θ−θm)<br />

2<br />

2⋅σ<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

4.5.2 Distribución coseno cuadrado: Se orienta sobre la dirección media, y toma<br />

un valor como función de distribución de direcciones de:<br />

⎛ θ ⎞<br />

G⎜<br />

⎟ =<br />

⎝ f ⎠<br />

2<br />

cos<br />

π<br />

2<br />

(θ − θ<br />

m<br />

)<br />

para<br />

π<br />

− < θ − θ<br />

2<br />

m <<br />

π<br />

2<br />

⎛ θ ⎞<br />

G ⎜ ⎟ = 0<br />

⎝ f ⎠<br />

para el resto<br />

4.5.3 Mitsuyasu (1975):<br />

Donde G s toma un valor, cuando el abanico de direcciones se extiende a<br />

, de:<br />

Siendo la función Gamma, y s el esparcimiento, que denota la abertura direccional<br />

sobre la dirección principal, figura 8, que toma un valor:<br />

Siendo:<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Figura 10. Esparcimiento s de la función de distribución direccional de Mitsuyasu.<br />

(Mitsuyasu et al. 1975; Horikawa, 1988)<br />

5. BIBLIOGRAFÍA<br />

• Apuntes de Ingeniería Marítima y Costera. Escuela Politécnica Superior de Alicante.<br />

• Ingeniería de Costas. E.T.S.I.C.C.P. Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo. Dirección<br />

General de Puertos y Costas.<br />

• <strong>Oleaje</strong> I/II: <strong>Descripción</strong>, Regímenes, Previsión. P.S. Bores. Catedrático de Puertos.<br />

E.T.S.I.C.C.P.<br />

• Obras Marítimas. Vicent Esteban Chapapría. Editorial Universidad Politécnica de<br />

Valencia.<br />

• Análisis de Resonancia Portuaria: Generación, Transitoriedad, No linealidad y<br />

Acoplamiento Geométrico. Tesis Doctoral: Grabiel Díaz Hernández. E.T.S.I.C.C.P.<br />

Universidad de Cantabria.<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

6. CASO PRÁCTICO<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Introducción Teórica<br />

• La descripción espectral <strong>del</strong> oleaje pretende reproducir la irregularidad de la<br />

superficie <strong>del</strong> mar, utilizando un número limitado de parámetros representativos.<br />

• A través <strong>del</strong> Teorema de Fourier, se puede descomponer la curva <strong>del</strong> estado <strong>del</strong> mar<br />

real como suma de funciones ondulatorias simples y regulares. A la distribución de<br />

energía de esas ondas, respecto a la dirección de propagación y la frecuencia, se<br />

conoce como espectro de oleaje S (f,θ), donde (f) es la frecuencia y (θ) la dirección de<br />

propagación de la onda. (Figura 1).<br />

• Cuando no se tiene en cuenta las direcciones de propagación, se denomina espectro<br />

de frecuencias, y consiste en separa por frecuencias (o bandas de frecuencias), la<br />

energía <strong>del</strong> oleaje contenida en un estado <strong>del</strong> mar determinado.<br />

• La energía (E) se calcula para valores discretos de la frecuencia de grupos de olas, y<br />

por tanto el valor de ordenadas representa la densidad de energía S(f), esto es, la<br />

energía por unidad de frecuencias (Figura 2).<br />

• Para reproducir determinados estados <strong>del</strong> mar, se han desarrollado espectros de<br />

energía teóricos que se ajustan bien a las condiciones generales <strong>del</strong> mar. Destacan<br />

el Mo<strong>del</strong>o de Jonswap, para oleaje parcialmente desarrollado; y el Mo<strong>del</strong>o de<br />

Pierson‐Moskowitz, para oleaje completamente desarrollado.<br />

Figura 1 Figura 2<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Mo<strong>del</strong>o de Jonswap<br />

Donde:<br />

f = frecuencia<br />

S(f) = densidad espectral<br />

g = aceleración de la gravedad<br />

Uz = velocidad <strong>del</strong> viento a una altura z<br />

f p =frecuencia <strong>del</strong> pico <strong>del</strong> espectro<br />

f = lonfitud <strong>del</strong> fetch<br />

λ p = 0,07 para f ≤ f p , 0,09 para f > f p<br />

γ f = 0,03<br />

A continuación, se muestra un caso práctico con el Mo<strong>del</strong>o de Jonswap.<br />

Caso Práctico<br />

Hallar la altura de ola prevista en el puerto A Coruña con el Mo<strong>del</strong>o de Jonswap,<br />

según el siguiente temporal de la Agencia Estatal de Meteorología.<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Solución:<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Cálculo de U 10 :<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Cálculo de f p :<br />

Cálculo de α f :<br />

Cálculo de S(f):<br />

λ p = 0,07 para f 0,061, 0,09 para f 0,061<br />

γ f 0,03<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

S(f)<br />

459,98<br />

Cálculo de la energía:<br />

0,061<br />

f<br />

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INGENIERÍA MARÍTIMA Y COSTERA<br />

DESCRIPCIÓN ESPECTRAL DEL OLEAJE<br />

Cálculo de la altura de ola media cuadrática:<br />

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