El laboratorio de Puertos y Costas se encuentra en la ETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos dentro del Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica Energía y Medio Ambiente de la Universidad Politécnica de Madrid.
Desde la remodelación de las instalaciones con un Plan de Desarrollo de Fondos Europeos 2000 – 2006 y la creación de la Cátedra Pablo Bueno de Ingeniería del Mar 2007 – 2016, se procedió a la mejora de las instalaciones con dos cambios sustanciales. El primero de ellos, el cambio de las palas de generación del oleaje regular e irregular con un sistema multidireccional desarrollado por Hydraulic Research Wallingford (HR Wallingford) en el tanque. El segundo, la sustitución de la pala del canal mediante otro equipamiento también desarrollado por el mismo laboratorio Hydraulic Research Wallingford (HR Wallingford).
Las instalaciones iniciales eran de 1968, cuando se construyó el edificio de la escuela, y, por tanto, el laboratorio de Puertos y Costas. El equipamiento había quedado totalmente obsoleto. Esta inversión permitió que las dos instalaciones (tanque y canal) permitieran su actualización y el desarrollo de ensayos hidráulicos en ingeniería marítima.
Los servicios principales permiten analizar:
- Estabilidad estructural y funcional de diques de abrigo en puertos en 3D
- Estabilidad estructural y funcional de diques de abrigo en puertos en 2D
- Estabilidad estructural y funcional de obras costeras en 3D y 2D
- Estabilidad estructural y funcional de obras soporte de las energías oceánicas
Estos servicios permiten conectar la instalación con la realidad actual de la emergencia climática, los eventos extremos y, la resiliencia de nuestras obras situadas en un medio sensible como es el mar.
Facilitan cumplir los objetivos de la Agenda 2030 y enmarcarse en retos como la Acción por el Clima (ODS 13), Ciudades o comunidades sostenibles (ODS 11) y Energías Limpias (ODS 7).
El laboratorio consta de un canal y un tanque de oleaje multidireccional. El primero de ellos tiene una longitud de 52 metros, con sección transversal de 1.50 metros de ancho por 1.00 metros de altura y tiene una capacidad de generación de oleaje regular e irregular de hasta 0.45 m de altura de ola en una profundidad de hasta 1.00 metro (unidades en modelo). Dispone de control de absorción activo del oleaje reflejado.
El tanque de oleaje multidireccional, que ocupa la parte central de la nave de ensayos, tiene una profundidad de 1.36 metros, una anchura de 11 metros y una longitud de 33 m. El fondo está terminado con pavimento de terrazo ejecutado “in situ” y las paredes verticales en loseta continua. Está dotado de un sistema de control de las reflexiones mediante una rampa parabólica pasiva formada por espumas de poliuretano de 10 ppi.
Se genera oleaje multidireccional con control activo de absorción, con movimiento individual de cada pala, pudiendo llenar el tanque hasta 1.00 m de calado.
El aparato generador de oleaje está constituido por 16 paletas de 0.70 metros de frente y 1.40 metros de altura, con las prestaciones medias siguientes: 0.45 m de altura de ola en una lámina de agua de 0.80 m de calado (unidades en modelo). Las posibilidades de generación son inmensas dado que es capaz de reproducir cualquier espectro de oleaje convencional, es decir, Pierson Moskowitz (PM), Hasselmann et al, Jonswap (J) o TMA, además de poderle introducir cualquier señal procedente de las series temporales de datos de medición de oleaje sin interrupción en un punto objetivo cualquiera.
Como cifras más representativas se pueden concretar:
El laboratorio presenta un total de 2.100 m² repartidos en 1.000 m² de nave de ensayos; 450 m² en aulas, despachos y museo; 400 m² de talleres y zonas de acopio; 250 m² de depósito inferior y galerías de servicio combinadas para el reciclado y la gestión del agua que, con las facilidades descritas anteriormente de un tanque de oleaje multidireccional de 33 m x 11 m x 1.36 m y un canal de oleaje de 52 m x 1 m x 1.5 m completan este.
Además, se cuenta con unas instalaciones de servicio consistentes en una sala limpia; una sala CNC (Centro de Control Numérico); un taller; un almacén; unas playas de carga y las salas de reuniones, aulas y despachos.
El tanque presenta una generación de oleaje multidireccional capaz de reproducir hasta 0.30 m de altura de ola y períodos ondulatorios de 4 s. Para el canal, la generación se lleva a cabo mediante una sola pala de tipo pistón diseñada y fabricada ad hoc por HR Wallingford. Este generador de oleaje viene equipado con un sistema de control y absorción de la onda reflejada.
La informatización del proceso de generación y calibración del oleaje se compone de una estación de trabajo, tarjetas de comunicaciones, unidades conversoras y una interfaz con tarjeta de conexión para un mínimo de ocho canales analógicos de entrada en forma diferencial o dieciséis canales de forma común y dos canales también analógicos de salida. Las instalaciones se complementan con equipos de medida de oleaje, programación y calibrado, adquisición y análisis de datos y un pequeño centro de cálculo con modelos matemáticos y numéricos de contraste.
Datos de Contacto:
Dr. Vicente Negro Valdecantos
vicente.negro@upm.es
Dada la amplitud y variedad de servicios provistos, las tarifas son determinadas para cada solicitud de ensayos recibida. Contactar para solicitar presupuesto.
Capacidades Científico-Técnicas del Laboratorio
Con relación al equipamiento, se dispone de los siguientes generadores de oleaje, con marcas y modelos siguientes:
- Multi-element wave generation system with AC drives and dynamic wave absorption. Wavemaker. HR Wallingford Ltd. Para el tanque de ensayos 3D.
- Piston paddle wave flume generator. Flume generator system. HR Wallingford Ltd. Para el canal de ensayos 2D.
Con relación a la instrumentación, se define la más relevante, detallando sus marcas y modelos:
- OptiTrack Flex13 (3 unidades)
- OptiTrack CS – 200
- OptiTrack CW – 500
- OptiTrack Prime Color FS (2 unidades)
- Cámaras sumergibles GoPro Hero10 (3 unidades)
- Cámara Sony Alpha 7II (3 unidades)
- Webcam Logitech HD Pro (4 unidades)
- Webcam Logitech C920 1080 P
- Sistema de posicionamiento dinámico en tiempo real reflexión de luz infrarroja
- Sensores de nivel (Capacitivos, resistivos y acústicos, elaboración propia)
- Sensores de presión (Monoaxiales y multiaxiales), marca WIKA
- Acelerómetros y sistemas inerciales (ifm)
- Tarjetas de comunicación y sincronización inalámbricas (National Instruments)
- Herramientas topográficas
- Herramientas fotogramétricas
- Sistema de adquisición para sondas de nivel de hasta 400 Hz
- Dron de altas prestaciones para trabajos de campo DJI Air 3
El taller está equipado con maquinaria y herramientas para la construcción y arreglos de todos aquellos elementos que cohabitan en la instalación, ya sean estos de madera, aluminio, PVC, acero, polímeros u otros materiales. Además, cuenta con tres Impresoras 3D y una cortadora laser para el prototipado y fabricación de piezas.
La sala CNC está equipada con una fresadora de alta precisión y gran tamaño por control numérico ALARSIS, que permite la creación de elementos con un gran nivel de detalle y customización, aun con geometrías exigentes y grandes tamaños, en diferentes materiales.
Finalmente, la Sala Limpia consta de un sistema de presión positiva y herramientas dedicadas al diseño y la fabricación de electrónica, sensórica y nanosensórica, lo cual permite customizar al máximo la sensórica necesaria para los ensayos y la monitorización de la instalación.
Fundamentalmente los ensayos en 3D y 2D se basan en el análisis de la curva evolutiva de daños en las estructuras en el mar. Esta dispone de tres partes diferenciadas, la estabilidad total, la estabilidad parcial y la inestabilidad con inicio de destrucción o colapso.
Se emplean las siguientes técnicas:
- Contando los elementos extraídos de cada capa de la estructura formando capas extra fuera de este tras su desplazamiento. Técnica visual.
- Contando el número de píxeles de las zonas coloreadas con el color de la capa interior de la estructura. Técnica numérica.
- Empleando técnicas de vídeo para detectar el desplazamiento de las piezas. Técnica de vídeo.
- Empleando técnicas de fotografía a lo largo de los ensayos para detectar las fases de inestabilidad de la estructura diseñada. Técnica de cámara y vídeo.
- Estabilidad estructural e hidráulica de diques rompeolas, incertidumbre y modos de fallo para mantos convencionales de escolleras naturales, cubos, bloques de hormigón y piezas especiales. Diagramas de presiones y fuerzas en espaldones. Remonte y rebase. Todo ello en canal de ensayo (2D).
- Estabilidad estructural e hidráulica de diques verticales, incertidumbre y modos de fallo para monolitos. Diagramas de presión y fuerza. Remonte y rebase. Todo ello en canal de ensayo (2D).
- Comportamiento energético de piezas en obras interiores. Análisis de la reflexión. Todo ello en canal de ensayo (2D).
- Estabilidad estructural e hidráulica de diques rompeolas, incertidumbre y modos de fallo para mantos convencionales de escolleras naturales, cubos, bloques de hormigón y piezas especiales. Diagramas de presiones y fuerzas en espaldones. Remonte y rebase. Todo ello en tanque de ensayos (3D).
- Estabilidad estructural e hidráulica de diques verticales, incertidumbre y modos de fallo para monolitos. Diagramas de presión y fuerza. Remonte y rebase. Todo ello en tanque de ensayos (3D).
- Comportamiento frente a la agitación interior de un puerto. Ensayo 3D.
- Comportamiento de estabilidad estructural y funcional de estructuras de gravedad (GBS) para aprovechamiento de la energía del océano en recurso eólico. Ensayo 3D.
- Comportamiento de estabilidad estructural y funcional de estructuras flotantes para aprovechamiento de la energía del océano en recurso eólico. Ensayo 3D.
- Comportamiento de estructuras flotantes tipo barco frente a estados límites de servicio y último en la reparación de instalaciones de offshore o de aprovechamiento de energía del océano. Ensayo 3D.
El laboratorio realiza ensayos en modelos físicos a escala reducida (estructuras marítimas, portuarias, costeras, y de energías marinas) en dos y tres dimensiones. Para los ensayos en 2D se emplea el canal de oleaje descrito y para los ensayos en 3D el tanque de oleaje, también descrito.
En este laboratorio no se analizan muestras, sino que se trata de una instalación de ensayo de carácter hidráulico marino, donde principalmente se analiza el diseño estructural y funcional de estructuras marítimas.
No existen una normativa específica para la realización de ensayos 2D y 3D en canal y tanque de naturaleza hidráulica marina. Se suelen seguir las directrices de los siguientes manuales que se consideran como procedimientos básicos para la calibración y desarrollo de los ensayos sancionados por la práctica internacional y generalmente aceptados.
- Allsop, W.; Van Ghent, M; Wolters, G and Gironella, X. Guidelines for physical models testing of breakwaters. Rubble mound breakwaters. Hydralab III. 2007.
- Hughes, S.A. (1993). Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering. Advanced Series on Coastal Engineering.
- Goda, Y. (2010). Random Seas and Design of Maritime Structures. Third Edition Advanced Series on Ocean Engineering, Vol. 33. World Scientific Publishing Company.
- Goda, Y. and Suzuki, T. (1976). Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments. Proceedings, Coastal Engineering, 1(15), 47. https://doi.org/10.9753/icce.v15.47
- Mansard, P. and Funke, E. R. (1980). The Measurement of Incident and Reflected Spectra using a least squared method. Proceedings, International Conference on Coastal Engineering.
- Manuales de uso de las palas de Hydraulic Research Wallingford.
- Oumeraci, H. (2001). Experience made using the Hannover Wave Flume of the Forschungs – zentrum küste (FZK): selected examples. Proceedings, International Workshop on Advanced Design of Maritime Structures in the 21st Century. Edited by Y. Goda and S. Takahashi.
Personal del Servicio Científico-Técnico
Responsable Científico
Vicente Negro Valdecantos
Catedrático
Personal Ténico
Dr. Jaime H. García Palacios
Responsable del software y conexión palas – ordenadores
Dr. Luis Juan Moreno Blasco
Responsable de modelos físicos
José Luis Orts Egío
Responsable de instrumentación
César Sastre Gil
Responsable de informática
Sandra Garfella de Pablo
Responsable de la realización de los ensayos