Calculo de Tablestacas Metalicas

March 16, 2018 | Author: luiginge | Category: Buckling, Bending, Deformation (Engineering), Excavation (Archaeology), Elasticity (Physics)


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CÁLCULO DE TABLESTACAS METÁLICAS 1  Amaya Gómez Yábar  RESUMEN  En  el  presente  trabajo  se  realizará  una  exposición  de  los pasos a seguir en el proceso  de  dimensionamiento  de  una  tablestaca  metálica  para  el  proyecto  de  una  excavación  o  vaciado.  En  primer  lugar,  se  desarrollará  el  método  de  cálculo  que  permite  estimar  los  esfuerzos  y  desplazamientos  previsibles  sobre  la  tablestaca  teniendo  en  cuenta  la  interacción  de  la  estructura  con  el  terreno  y  los  distintos  elementos  constructivos  (forjados,  anclajes,  puntales,  etc.).  Dicho  método  permite  tener  en  cuenta  la  influencia  del  proceso  constructivo  así como el comportamiento no lineal del terreno.  Tras  la  obtención  de  esfuerzos,  se  expondrán  los  criterios  a  tener  en  cuenta  para  la  comprobación  y el dimensionamiento del perfil metálico como elemento estructural, tomando  como base los criterios del Eurocódigo 3, parte 5 (Tablestacas). Se detallarán, en primer lugar,  las  comprobaciones  que  permiten  garantizar  la  estabilidad  global  de  la  estructura,  y  posteriormente  se  enumerarán  los  criterios  para  la  verificación  de  la  resistencia  del  perfil  a  nivel sección.  1.  INTRODUCCIÓN  La  excavación  o  vaciado  posterior  a  la  ejecución  de  muros  pantalla  o  hinca  de  tablestacas  constituye  una  solución  emplea  cada  vez  con  más  profusión.  La  construcción  de  tablestacas es una técnica que se utiliza desde hace ya varias décadas en el campo de las obras  marítimas.  Los  avances  tecnológicos  han  permitido  que  se  empleen  cada  vez  más  en  nuevos  campos  de  aplicación  como,  por  ejemplo, muros de contención de tierra, estribos de puentes  de  carretera,  túneles,  vías  subterráneas,  etc.  Esto  se  debe,  entre  otras  cosas,  al  desarrollo  de  métodos de cálculo de esfuerzos y desplazamientos que permiten predecir el comportamiento  estructural  teniendo  en  cuenta  el  proceso  constructivo  y  las  interacciones  entre  los  distintos  elementos.  También  ha  contribuido  en  gran  medida  la  aparición  de  los  Eurocódigos,  en  los  que  se  trata  de  forma  específica  estos  elementos,  y  que  constituyen  el  marco  legal  reglamentario para la ejecución de este tipo de proyecto.  1  Ingeniero de Caminos, Departamento de Desarrollo de CYPE Ingenieros, S.A., Alicante (España).   2. Así mismo.  el  material y la geometría de la tablestaca que se va a calcular.­ Discretización de la tablestaca  El nudo superior siempre se considera como extremo libre.  evidentemente.2.  mientras  que  para  deformaciones  positivas  o  negativas.  MÉTODO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS  Para  la  obtención  de  los  esfuerzos  y  desplazamientos  en  muros­pantalla.  Todos  los  elementos  tienen  las  mismas  características  mecánicas. 1.  se  utiliza  una  aproximación  no­lineal  a  la  ley  real  de  comportamiento  del  terreno que incluye la plastificación del mismo.  en función de las características del terreno y la geometría de la pantalla.  que  dependerán  de  la  tipología.  1).  Fig. los elementos de anclaje. se considera una aproximación a la misma mediante tramos lineales (Fig. mientras que para el nudo  inferior  se  consideran  tres  posibles  tipos  de coacción: extremo empotrado. 2). La consecuencia es que la obtención de la solución no es directa  y se necesita de un proceso iterativo de cálculo. .  Dado que la ley real de comportamiento empuje del terreno – desplazamiento tiene una forma  compleja.  el  valor  del  mismo  viene  limitado  por  los  empujes  pasivo  o  activo.  introducen  una  serie  de  coacciones  y  acciones  adicionales  que.  que  permiten  considerar  la  interacción  terreno  pantalla.  Las  leyes  de  comportamiento  del  terreno  varían  con  la  profundidad.1.  respectivamente.  entre  los  métodos  más  extendidos  están  los  basados  en  el  coeficiente  de  reacción.  donde  la  magnitud  de  los  empujes  sobre  el  muro  depende  del  desplazamiento  del  mismo.  Los  valores  de  las  pendientes  de  la  gráfica  (Kp  y  Ka )  son  los  denominados  módulos de balasto o coeficientes de reacción.  1. puntales  y    forjados.  Los  esfuerzos  introducidos  por  la  acción  del  terreno  y  los  elementos  de  apoyo  se  suponen  concentrados  en  los  nudos  extremos  de  cada  una  de  las  barras  verticales  (Fig.  Para  el  cálculo  de  la  acción  que  produce  el  terreno  sobre  la  pantalla.  como  se  muestra  en  la  Fig.  Discretización de la tablestaca e interacción con el terreno  La  tablestaca  se  discretiza  como  una  serie  de  elementos  verticales  tipo  barra  con  deformación  a  corte  unidos  rígidamente  entre  sí.  y  producen  el  empuje  correspondiente  al  reposo  para  deformación  nula. articulado o libre.  influyen en el resultado final. Fig.  es  necesario  considerar  las  deformaciones  plásticas  o  no  recuperables  que  tienen  lugar  cada  vez  que  cambia  el  sentido  de  las  deformaciones  en  alguna  zona  de  la  pantalla  a  consecuencia.  Ds V = K0 × Ds H    (1)  Aun  cuando  no  existen  variaciones  en  los  empujes  de  una  fase  a  otra.  por  ejemplo. Para la resolución completa del  problema.  definir  la  variación  de  las  leyes  de  comportamiento  de  una  fase a otra. y a priori no  es  conocida  la  zona  a la que pertenece el desplazamiento de un punto concreto. Para ello se supone que las pendientes de . 2. etc. Para tenerlo en cuenta. tal como se puede observar cualitativamente en la Fig. es necesario  recurrir a un procedimiento iterativo para la resolución del problema. de la introducción y tesado de un anclaje. se  s puede calcular a partir de la variación de la presión vertical.  además.  Fig.­ Aproximación lineal a la ley de comportamiento del terreno  Dado  que  la  función  de  respuesta  del  terreno  viene definida por tramos.  incremento  de  sobrecargas.) produce una variación en los empujes.­ Ley de comportamiento del terreno con tierras en trasdós e intradós  Todo  lo  que  se  ha  referido  hasta  el  momento  corresponde  al  comportamiento  del  terreno en una fase (de ejecución o de servicio) determinada.  D  V . 3. se supone que  la variación de presión horizontal del suelo de una fase a otra para deformación nula.  Cualquier  proceso  de  carga  o  descarga  del  terreno  (excavación. se obtiene una  ley  formada  por  seis  tramos.  es  necesario.  D  H .  resultante  de  sumar  las  leyes  de  comportamiento  del  trasdós  e  intradós. mediante un coeficiente de  s proporcionalidad  K 0 .  Para zonas de la tablestaca en las que el terreno actúa por los dos lados. 3.  el  comportamiento  es  análogo  al  descrito  anteriormente    (Fig..  En la Fig.  De forma general.­ Proceso de carga del terreno sin variación de empujes  Para situaciones en las que además se produce una variación en los empujes.  siendo.  para  el  caso  de  un  punto  con  terreno sólo en uno de los lados).  por  tanto. los elementos de apoyo introducen una coacción elástica en un nudo  que  se  encuentra  situado  a  la  cota  en  la  que  se  ha  definido  el  mismo.2.­ Proceso de carga del terreno con variación de empujes  2.  la  acción sobre dicho nudo igual a: F = K × ( d - d 0 )  (2) . mediante las leyes de empujes que se  consideran  de  forma  cualitativa  para  un  punto  del  terreno  situado  en  la  zona  del  empotramiento. forjados. En ella puede verse cómo partiendo del punto 0 ­que representa el empuje al  reposo­ se alcanza el punto 1.la  ley empujes  ­  deformaciones  para  los  casos  de  carga  y  descarga  son  iguales  a  las  iniciales  de la rama pasiva y activa respectivamente. debido a  cambios en el nivel freático o en las sobrecargas actuantes en el terreno. excavaciones. se siguen las líneas señaladas en trazo grueso hasta alcanzar los estados límite activo y  pasivo prosiguiendo a continuación por líneas horizontales.  Consideración de los elementos de apoyo: anclajes. al tesar el anclaje. 5.  Fig. un  cambio en el sentido de los desplazamientos y. 4. etc. que corresponde al empuje activo en la zona de la derecha y a  un empuje inferior al pasivo en la izquierda. En dicho punto se produce. en vez de producirse una vuelta por la misma  rama. 4 se muestran las hipótesis expuestas.  Fig. puntales.  5.   una  nueva  solución. debido a la no­linealidad del comportamiento del terreno. se introduce además una carga equivalente a la de  tesado.  La  solución  definitiva  se  obtiene  cuando  al  calcular  los  desplazamientos  solución  de  una  iteración.  2. La solución en  desplazamientos  que  se  obtiene  para  esta  primera  hipótesis  se  emplea  para  recalcular  las  fuerzas y coacciones de cada nudo para comenzar con la siguiente iteración y obtener.3.  para  cada  fase  la  relación  entre  el  momento  equilibrante  producido  por  el  empuje .  Como punto de partida del proceso iterativo. 6.  cada  punto  de  la  pantalla  se encuentra en la zona  de la gráfica de comportamiento que se había supuesto. se supone que no se ha producido ningún  desplazamiento  de  la  pantalla  y.  cuando  ya se ha excavado hasta una cierta profundidad y la pantalla está en voladizo o con un único  apoyo. d el desplazamiento del nudo en la fase correspondiente y d0  el  desplazamiento  del  mismo  en  el  momento  de  colocar  el  elemento  (desplazamiento  de  referencia).  Obtención de la solución.  Tal como se ha comentado. estableciendo compatibilidad de deformaciones en todos los  nudos. de este  modo.  Esta  comprobación  suele  ser  crítica  en  las  primeras  fases.­ Consideración de un elemento de apoyo  En el caso de los anclajes activos. Para los elementos que no son continuos longitudinalmente (anclajes y puntales).  por  tanto.  VERIFICACIÓN DE LA ESTABILIDAD  La  primera  comprobación  es  verificar  si  se  puede  garantizar  la  seguridad de la pantalla  frente  al  equilibrio  global. la  obtención  de  la  solución  no  es  directa  e  implica  la  aplicación  de  un  proceso  iterativo.  inicialmente  la  acción  del  terreno  vendrá  representada en cada nudo de la discretización por una fuerza equivalente al empuje en reposo  y un muelle cuya constante será equivalente al módulo de balasto del terreno.donde K es la rigidez del elemento. se  emplean en el cálculo las fuerzas y rigideces equivalentes por unidad de longitud.  Cada  una  de  las  soluciones  del  proceso  iterativo  se  obtiene  mediante  la  resolución  frontal  de  la  matriz de rigidez de la estructura.  Fig.  Una  forma  de  garantizar  la  estabilidad  es  verificando  que  los  parámetros  que  se  describen a continuación tienen unos valores mínimos:  § Relación  entre  el  momento  originado  por  los  empujes  pasivos  en  el  intradós  y  el  momento originado por los empujes activos en el trasdós: Este coeficiente representa.  3.   Fig. S430 GP.  que  son  las  más  comunes.  Se  distinguen  tres  tipos  de  comprobación  en  función de la geometría de la serie de tablestaca seleccionada:  § Tablestacas en Z o en U  § Tablestacas de alto módulo elástico  § Tablestacas combinadas  Las comprobaciones que se describen a continuación son para tablestacas en Z o en U. Relación de momento equilibrante y desequilibrante  § Relación entre el empuje pasivo total en el intradós y el empuje realmente movilizado  en  el  intradós:  este  coeficiente  indica.  Materiales.  M empuje pasivo intrados  (3)  M empuje activo trasdós  Los  momentos  se  calculan  respecto  al  pie  de  la  pantalla  cuando  ésta  se encuentra  en voladizo (A) y respecto al punto de apoyo en el caso de que exista uno (B).  Para  las  tablestacas  de  alto  módulo  elástico  o  combinadas.pasivo  en  el  intradós.  para  cada  fase.  4. .  § Laminado: S240 GP. y las  características  del  tipo  de  acero  seleccionado. de los  tipos  que  se  enumeran  a  continuación.  la  verificación  se  realiza  de  forma  análoga  aunque  existen  criterios  específicos  para  estas  tipologías.1.  la  relación  entre  el  empuje  pasivo  movilizable  o  teórico.  y  el  que  realmente  se  ha  movilizado  para  conseguir  el  equilibrio. S270 GP.  las características mecánicas de los perfiles proporcionadas en el catálogo del fabricante.  § Conformado: S235 JRC. Para ello se emplean los esfuerzos obtenidos en el cálculo.  producido  por  el  empuje  activo  en el trasdós.  El  número  indica  el  valor del límite elástico del acero  en MPa.  7.  y  el  momento  desequilibrante. S355 GP.  4.  VERIFICACIÓN DEL PERFIL METÁLICO  La comprobación y dimensionamiento de las tablestacas metálicas se realiza según los  criterios del Eurocódigo 3. S390 GP. Parte 5. S355 JRC. S320 GP. S275 JRC.  Las tablestacas pueden ser de acero laminado en caliente o conformado en frío. 1. Rd  Clases 1 y 2:  Clase 3:  Clase 4:  (4)  (5)  (6)  (7) M c .Rd) cuando la  relación entre la longitud del alma y su espesor cumpla  c t w  > 72e  (11)  .3.4.  Los valores límite para la clasificación de secciones en Z y en U en función del canto  (b) y el espesor de las alas (tf) son los que se muestran a continuación en la “Tabla 1”  Tabla 1­ Clasificación de la sección  Clasificación  Clases 1 y 2  Clase 3  Perfil Z  Perfil U  b t f  £ 45  e b t f  £ 66  e b t f  £ 37  235  e e= f y  b t f  £ 49  e 4.4.  Cortante. Rd  =  Av f y  (9)  (10)  Además se comprobará la resistencia a pandeo por cortante del alma (Vb.1 .25  .  4.  Tablestacas sometidas a esfuerzos de flexión y corte.4. bB £ 1 para tablestacas en U simples y dobles.1  g M 2  = 1. Rd:  VEd £ V pl .  Se emplean los coeficientes de seguridad parcial para minoración de resistencias definidos  en EN 1993­1­1:  g M 0  = 1. Rd = b BWef f y g M 0 bB  = 1 para tablestacas en Z y en U triples. Rd = b BWpl f y g M 0 M c .  g M 1  = 1.  Av = t w ( h - t f  ) Vpl .  Coeficientes de seguridad parcial. Rd  :  M Ed £ M c .  4.2.  El valor del esfuerzo cortante de diseño VEd  debe ser inferior que la resistencia de  cálculo Vpl. Rd = b BWel f y g M 0 M c .  Clasificación de la sección.2. Rd  (8)  3g M 0  Av  es el área del alma proyectada en la dirección del esfuerzo.  4.4.  Flexión.  El momento de diseño MEd  debe ser inferior que la resistencia de cálculo Mc.   Interacción axil – flexión. Rd  . Rd (1 - N Ed N pl . Rd = ê b BWpl £ M c .5.4 ® fbv = 0.2.  Axil. Rd  ú 4tw sin a û g M 0  ë r  = (2VEd Vpl . Rd  )  . cuyo valor se puede calcular según la formulación indicada también en la “tabla 2”.Vb .25  Perfiles clase 3  0.5.5.Rd  1.3.NEd N pl . se debe verificar que el momento de  cálculo no supera la resistencia a flexión reducida para tener en cuenta el efecto del cortante  (MV. Rd  0. Rd  )  M c .  Interacción flexión – cortante. Rd (1 .  é r A 2  ù f y  v  (15)  MV .v  es la tensión de pandeo por cortante calculada según la tabla 6­1 de EN 1993­1­3  l w < 1. En caso contrario. Rd).Rd.  Tabla 2­ Criterios de interacción axil ­  flexión  Perfil Z  Clases 1 y 2  Perfil U  Clases 1 y 2  0.  (16)  El valor del esfuerzo axil de diseño NEd  debe ser inferior que la resistencia de cálculo  Npl.4 ® fbv = 0.1  MN.4. Rd  - 1) 2  4.  4.1  (17)  (18)  NEd  N Pl .67 f yb  l w  ï  þ ct l w  =  w  (14)  86.4e  4.11 M c . Rd (1 - NEd N pl . corte y axil. Rd  =  Av f  bv  g M 0 (12)  donde fb. Rd  N Ed £  N pl .33 M c .1. Rd =  Af y g M 0 4.  El  efecto  del  esfuerzo  axil  en  la  resistencia  a  flexión  se  puede despreciar siempre que  la  relación  entre  el  esfuerzo  axil  de  cálculo  y  la  resistencia  no  supere  los  valores  que  se  indican en la “tabla 2”para  N Ed N Pl . En caso contrario se comprobará que el momento de  cálculo  no  supera  la  resistencia  a  flexión  reducida  para  tener  en  cuenta  el  efecto  del  axil. Rd  N pl .  No es necesario reducir la resistencia de cálculo a flexión si el esfuerzo cortante no  supera el 50% de la resistencia a corte.  MN. Rd  )  1.  Tablestacas sometidas a esfuerzos de flexión.48  f yb  l w  ü ï (13)  2  ý l w ³ 1. 2) + l  ù ê ú û a = 0.0.  Se tendrá en cuenta el efecto del pandeo si  N Ed £ 0.  En caso de que sea necesario tener en cuenta el efecto del pandeo. se realizará la  siguiente comprobación.v  fy  h  Área del perfil  Área del alma proyectada en la dirección del esfuerzo  Longitud del ala del perfil  Longitud del alma  Módulo de elasticidad  Empuje en reposo  Empuje activo  Empuje pasivo  Fuerza  Tensión crítica de pandeo por cortante  Límite elástico  Canto del perfil .15 £ 1  c N pl .3. Rd (g M 0 g M 1 ) M c. el  esfuerzo cortante reducido se calculará con un límite elástico reducido  f y.76 (curva de pandeo d)  l =  Af y Ncr  para secciones en clases 1. 2 ó 3  5.5.  Interacción flexión – compresión con efecto de pandeo. rd (g M 0 g M 1 ) c= 1  (23)  (24)  (25) f + (f 2 .04 N cr  Ncr = b Dp 2 EI l p 2 (21)  (22)  lp es la longitud de pandeo de la tablestaca bD  es un factor menor o igual que la unidad para tener en cuenta la posible reducción  debida a la transmisión insuficiente de esfuerzo cortante en las uniones.M N . Rd £ M c .  NOTACIÓN  A  Av  B  c  E  E0  Ea   Ep  F  fb.5 é1 + a (l . Rd  - 1) (20)  4.red  = (1 - r )  f y  . Rd  (19)  Si el esfuerzo cortante excede en un 50% la resistencia a corte de la sección.  NEd M Ed  + 1.l  )1 2  ë 2  £ 1  2  f = 0.  donde  2  r  = (2VEd Vpl .  Rd  MEd  Ncr   NEd  Npl.I  K  Kp  Ka   lp   Mc.  [4]  “Geotecnia y Cimientos”.  [6]  “Manual de Cálculo de Tablestacas”. Jiménez Salas. Ministerio de Obras Públicas. Laboratoire central des ponts et  chaussés.  Escuela  Superior  de  Ingenieros de Caminos. J. coeficiente de proporcionalidad  Módulo de balasto o coeficientes de reacción para el empuje pasivo  Módulo de balasto o coeficientes de reacción para el empuje activo  Longitud de pandeo de la tablestaca  Resistencia de cálculo a flexión  Momento de diseño  Axil crítico de pandeo  Axil del cálculo  Resistencia de cálculo a axil  Espesor del ala  Espesor del alma  Resistencia a pandeo por cortante del alma  Cortante de diseño  Resistencia de cálculo a corte  Módulo resistente de la sección eficaz  Módulo resistente elástico de la sección  Módulo resistente plástico de la sección Inclinación del alma Desplazamiento Coeficiente de seguridad parcial Esbeltez relativa del alma Presión horizontal Presión vertical  6. Canales y Puertos de Madrid.  Tesis  doctoral  de  Enrique  Castillo  Ron. Ministerio de Obras Públicas y Transportes.A.  REFERENCIAS  [1]  “ROM  0.Rd  tf  tw  Vb.  [5]  “Muros Pantalla”. Schneebeli. Transportes y Medio Ambiente.  Part  5:  Piling”  European  Committee  for  Standardization (CEN) .  Recomendaciones  geotécnicas  para  el  proyecto  de  obras  marítimas  y  portuarias’’.Rd  VEd  Vpl. G. Rd  Wef  Wel  Wpl  a  d  gM  `lw  sH  sV  Inercia  Constante de muelle.  [3]  “Recommandations pour le choix des paramètres de calcul des écrans de soutènement  par  le  méthode  aux  modules  de réaction “.  [7]  “Eurocode  3:  Design  of  Steel  Structures.5­94.  [2]  “Sobre  la  influencia  de  las  deformaciones  en  el  comportamiento  de  pantallas  continuas  de  hormigón”. Jean Balay.
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