02-diseño de tablestacas

ICO363-Diseo de Estructuras ICO363-Diseo de Estructuras Geotcnicas

Diseo de tablestacas

Profesor: Juan Carlos Tiznado A.

[email protected]

Contenido

1. Introduccin

Caractersticas generales, secuencia constructiva y aplicaciones

Consideraciones preliminares de diseo

Hiptesis para el clculo

2. Tablestacas en voladizo

Suelos granulares y cohesivos

Clculo de empujes y longitud de empotramiento

3. Tablestacas con anclaje y extremo inferior libre3. Tablestacas con anclaje y extremo inferior libre



Reduccin de momento de Rowe

4. Tablestacas con anclaje y extremo inferior empotrado

Suelos granulares


5. Otros tpicos

Diseo del muro de reaccin

Empujes ssmicos

Diseo ssmico emprico de tablestacas

1. Introduccin1.1. Caractersticas generales, secuencia constructiva y aplicaciones

Las tablestacas o ataguas se utilizan, entre otras cosas, para la construccin de muros

continuos (flexibles) de estructuras costeras, tales como embarcaderos y muelles.

Tablestacado o Atagua

Foto: Pilotes Terrarest S.A.


Tpicamente, se utilizan de acero, aunque tambin existen de madera y hormign

prefabricado.

Tipo Machihembrado

Se prefieren dado su bajo peso y gran capacidad de resistir esfuerzos, sean estos debidos a

solicitaciones (empujes, sobrecargas) o derivados del proceso de instalacin.

Perfiles tpicos

Tipo rtula


Se instalan por medio de un proceso de vibro-hincado


Secuencia constructiva tpica de un muro costero:

(si se requiere)

1. Introduccin1.2. Consideraciones preliminares de diseo

Existe una serie de factores que se deben tener en cuenta al momento de proyectar la

estructura:

1. Introduccin1.3. Hiptesis para el clculo

Dependiendo de la altura de excavacin y las caractersticas del suelo en la zona del

empotramiento, se puede adoptar una de las siguientes hiptesis para el clculo de la

tablestaca:

Para alturas H 4 a 6m

Tablestaca en voladizo

H

Tablestaca con anclaje y extremo

inferior libre

Tablestaca con anclaje y extremo

inferior empotrado

Para alturas H > 6m se tienen

bsicamente dos opciones:

Contenido

1. Introduccin












Suelos granulares


5. Otros tpicos


Empujes ssmicos


2. Tablestacas en voladizo2.1. Suelos granulares y cohesivos

Generalidades

El uso de tablestacas en voladizo es recomendado para alturas H 6m, medidas a partir de

la lnea de dragado.El comportamiento de la estructura

queda caracterizado por el giro de

la tablestaca alrededor del punto O

En la Zona A hay slo empuje

activo. En la Zona B hay empuje

Por ejemplo, en el caso de arenas:

activo. En la Zona B hay empuje

activo del lado derecho y pasivo del

lado izquierdo; situacin que se

invierte en la Zona C

Si el nivel fretico coincide en

ambos lados de la tablestaca, no

hay flujo de agua y las presiones

hidrostticas se cancelan entre s

Esto implica considerar nicamente

las presiones laterales efectivas

sobre la estructura

Deformada Diagrama de presiones

Real

Diagrama de presiones

idealizado


Tablestacas en voladizo en suelos granulares

Buscamos el diagrama de presiones netas:

aKLp 11 =

aKLLp )'( 212 +=

Para determinar las presiones netas

bajo la lnea de dragado, consideramos

las presiones activas y pasivas a ambos

lados de la pantalla

La resta de estas distribuciones de

presin nos entregar la distribucin

que muestra la figuraDiagrama de presiones idealizado

aKLLp )'( 212 +=


Bajo el nivel de dragado, la presin

activa a profundidad z ser:

aKLLzp

ap )]21('[2 +=

KLLzp )(' =

Bajo el nivel de dragado, la presin

pasiva a profundidad z ser:

A profundidad L3 la presin neta es

nula, por lo tanto:

pKLLzpp )21(' =

La presin lateral neta es entonces:

))(21('2 aKpKLLzpppapp ==

0))(21('2 = aKpKLLzp )('

23

aKpKp

L

= ')(43 aKpKLp =

0)(3'2 = aKpKLp


En el fondo de la tablestaca, la

presin pasiva del lado derecho es:

pKDaKppp ]'/2[ +=

DKp '=

La presin activa del lado izquierdo

ser:

Haciendo sumatoria de fuerzas horizontales = 0

aDKap '=


)('24 aKpKDpKa

Kp

pa

pppp +===

43243

5 ppPLp

L+

=

Donde P es la resultante del diagrama de presiones ACDE.

Su punto de aplicacin est a distancia de Ez


Determinacin del momento mximo Mmax:

2P=

Este momento se produce en el tramo EF,

donde el esfuerzo de corte sea nulo (punto

F). Por equilibrio de fuerzas:

')(2'5.0 aKpKzP =

El perfil requerido para la tablestaca se

determina a partir del mdulo de seccin:

')(2

'

aKpKP

z

=

De esta manera:

'

31)](2''5.0[)'(max zaKpKzzzPM +=

adm

MreqS

max=


Tablestacas en voladizo en suelos granulares

Procedimiento de diseo:

Suponer una profundidad de empotramiento D

Determinar coeficientes de empuje activo y pasivo (teora de Rankine)

Calcular presiones y longitudes utilizando el valor de D supuesto Calcular presiones y longitudes utilizando el valor de D supuesto

Calcular sumatoria de momentos en torno al punto B:

- Si resulta 0, el valor de D es correcto

- Si no, variar D y repetir los pasos anteriores

Calcular Mmax y elegir el perfil de acero adecuado

Incrementar D obtenido en un 20 a 30% para incorporar posibles efectos de socavacin y/o

dragado futuro


Tablestacas en voladizo en suelos cohesivos

Buscamos el diagrama de presiones netas:

aKLp 11 =

aKLLp )'( 212 +=

El empotramiento se ubica en un estrato de

arcilla saturada. Por lo tanto, en general

controla la condicin de corto plazo (no

drenada) y trabajamos con c=cu y =0

Para determinar las presiones netas bajo la

lnea de dragado, consideramos las presiones

activas y pasivas a ambos lados de la pantalla

La resta de estas distribuciones de presin nos

entregar la distribucin que muestra la figura

Diagrama de presiones idealizado


Dado que bajo el nivel de dragado se tiene =0, (lo cual implica Ka=Kp=1), la presin activa a

profundidad z ser:

ucLLzsatLLap 2)21(2'1 ++=

Bajo el nivel de dragado, la presin pasiva a

profundidad z ser:

En el fondo de la tablestaca:

ucLLzsatpp 2)21( +=


( )216 '4 LLcpappp u +==

( )2'147 LLucpappp ++==ucDsatLLPp 22'1 +++= ucDsatPa 2=


Por equilibrio de fuerzas horizontales:

( ) 05.0 76461 =++ ppLDpP

PpDL 16

=

As, la distancia L4 ser:

Momento mximo: se produce donde el corte es nulo, es decir:

uc

PpDL

416

4

=

Donde P1 es la resultante del diagrama de presiones ACDE.

Su punto de aplicacin est a distancia de E

0'61 = zpP

61

'

pP

z =

1z

( )2

2'6

1'1maxzp

zzPM +=adm

MreqS

max=


Tablestacas en voladizo en suelos cohesivos

Procedimiento de diseo:

Suponer una profundidad de empotramiento D

Determinar coeficientes de empuje activo y pasivo (teora de Rankine)

Calcular presiones y longitudes utilizando el valor de D supuesto Calcular presiones y longitudes utilizando el valor de D supuesto

Calcular sumatoria de momentos en torno al punto B:

- Si resulta 0, el valor de D es correcto

- Si no, variar D y repetir los pasos anteriores

Calcular Mmax y elegir el perfil de acero adecuado

Incrementar D obtenido en un 40 a 60% para incorporar posibles efectos de socavacin y/o

dragado futuro

Contenido

1. Introduccin












Suelos granulares


5. Otros tpicos


Empujes ssmicos


3. Tablestacas con anclaje y extremo inferior libre3.1. Generalidades

H

Para estructuras de altura H mayor a 6m, por lo general se prefiere el uso de tablestacados

con anclaje.

Los anclajes ayudan a reducir la profundidad de empotramiento requerida y entregan

secciones de acero de menor rea y peso respecto de aquellas que se obtienen al disear

una tablestaca en voladizo.

Una de las formas de disear este tipo de tablestacados es mediante el mtodo del

soporte libre o free earth support method, en donde se considera que la tablestaca se

puede modelar como una estructura simplemente apoyada.

3. Tablestacas con anclaje y extremo inferior libre3.2. Suelos granulares y cohesivos

Para un caso general: Determinar los empujes debidos a cada uno de los efectos (suelo, agua, sobrecargas, cargas puntuales,

etc) y superponer.

Para suelos granulares gruesos y limpios, en el

clculo del empuje pasivo incluir la friccin entre

tablestaca y suelo (mtodo de Coulomb). En el caso

activo, y en otros tipos, de suelos usar la teora de

Rankine.

Para determinar la profundidad de empotramiento,

tomar momentos en torno al punto A (anclaje) y

resolver la siguiente ecuacin para D:

donde PA1 y PA2 son las resultantes totales de los

diagramas (incluyen todos los efectos).

Factor de seguridad (FS):

- 2 a 3 en suelos de grano grueso

- 1.5 a 2 en suelos de grano fino

32211 lFSPlPlP PAA =+


Para un caso general:

Carga en el anclaje (d: espaciamiento entre anclajes)

Determinar el momento mximo de diseo de la

tablestaca modelndola como una viga que se

encuentra rotulada en su base. Considerar las cargas

dFSPPPA PAAP

+= 21

encuentra rotulada en su base. Considerar las cargas

PA1, PA2, PP/FS y AP.

Aplicar reduccin de momento debida a la

flexibilidad del perfil (Mtodo de Rowe)

Incrementar D en un 20% para considerar posibles

efectos de dragado o socavacin posterior (slo al

final del diseo).

Dimensionar la barra de anclaje con una fuerza

F=1.20AP.


Qu hacer si el nivel fretico difiere a ambos lados de la tablestaca?

3. Tablestacas con anclaje y extremo inferior libre3.3. Reduccin de Momento de Rowe

Rowe (1952) realiz ensayos experimentales en tablestacados en arena y arcillas

Concluy que el mtodo del soporte libre

sobreestima los momentos flectores en el muro

Elabor grficos con factores de reduccin de

momento para efectos de diseo

En estos grficos se trabaja con un parmetro relacionado con la rigidez flexural de la tablestacarelacionado con la rigidez flexural de la tablestaca

=H4/EI

Segn la definicin de Rowe, H est en ft, E en psi e I

en in4/ft (unidades inglesas).

Para trabajar en unidades del SI, se debe usar la

variable:

=10.91x10-7 H4/EI

H est en m, E en MN/m2 e I en m4/m. Notar que

aqu H es la altura total (excavacin+empotramiento)ARENAS



M es el momento de diseo de la tablestaca,

relacionado con su mdulo de seccin y la tensin

admisible del perfil:

M=S adm

M0 es el momento mximo terico que entrega el

mtodo del soporte libremtodo del soporte libre

ARENAS



En arcillas, se trabaja un factor de estabilidad,

denominado por Rowe como Sn

pv es la presin efectiva del lado del relleno a nivel

de la lnea de dragado y c la cohesin media en la

c

ac

vpc

c

ac

bc

nS +=+= 1'

1

de la lnea de dragado y c la cohesin media en la

zona de empotramiento de la tablestaca.

Para efectos prcticos de diseo se recomienda

utilizar un factor de estabilidad aproximado de

Sn=1.25 c/pv

Los grficos se entregan para ciertos valores de , por lo tanto se debe elegir el que aproxime mejor al

valor con que se est trabajando en un determinado

diseo.

ARCILLAS

Contenido

1. Introduccin












Suelos granulares


5. Otros tpicos


Empujes ssmicos


4. Tablestacas con anclaje y extremo inferior empotrado 4.1. Generalidades

H

Hemos dicho que para estructuras de altura H mayor a 6m, por lo general se prefiere el

uso de tablestacados con anclaje.

Los anclajes ayudan a reducir la profundidad de empotramiento requerida y entregan

secciones de acero de menor rea y peso respecto de aquellas que se obtienen al disear

una tablestaca en voladizo.

Otra manera en que se pueden disear este tipo de tablestacados es mediante el mtodo

del soporte empotrado o fixed earth support method.

4. Tablestacas con anclaje y extremo inferior empotrado4.2. Suelos granulares

Mtodo de la Viga Equivalente (Arena)

Este mtodo se basa en el supuesto que la

deformada de la tablestaca sigue la forma de la

lnea elstica (elastic line) de la figura.

Para ello se requiere que la estructura se empotre lo Para ello se requiere que la estructura se empotre lo

suficiente en un terreno que provea resistencia

lateral suficiente.

Blum (1931) desarroll un mtodo simplificado,

denominado Mtodo de la Viga Equivalente que

se basa en una relacin terica entre el ngulo de

friccin del suelo y la distancia x desde la lnea de dragado al punto de inflexin de la lnea elstica

(rtula).

4. Tablestacas con anclaje y extremo inferior empotrado4.3. Clculo de empujes y longitud de empotramiento


p*

El mtodo asume una rtula en el punto de inflexin (momento M=0)

Sobre la rtula se trabaja con una viga simplemente apoyada, donde las reacciones R y T pueden ser

determinadas por simple esttica. Lo mismo ocurre con la parte inferior de la viga, donde las

reacciones son R y C.



Procedimiento de diseo

Calcular los empujes activos y pasivos utilizando los coeficientes de empuje de Rankine

Determinar la distancia y (corte nulo) de la figura (c) mediante:

p* es la presin lateral debida a las sobrecargas y el peso efectivo del relleno, es decir, la respectiva

( )ap KKp

y

= *

p* es la presin lateral debida a las sobrecargas y el peso efectivo del relleno, es decir, la respectiva

carga vertical sobre el nivel de dragado, multiplicada por el coeficiente de empuje activo Ka del suelo

bajo el nivel de dragado.

Determinar el punto de inflexin usando el grfico (e)

Determinar la reacciones R y T de la viga simplemente apoyada superior segn figura (d)

Determinar la longitud del tramo eb de la figura (d) haciendo Mbase=0 en la viga simplemente apoyada inferior



Procedimiento de diseo

Obtener el empotramiento D=eb+x. Incrementar el valor obtenido en un 20%-40%.

En la viga superior, obtener el momento mximo Mmax en el punto de corte nulo y dimensionar la

seccin de tablestaca requerida (NO aplicar reduccin de momento)

adm

MreqS

max=

Contenido

1. Introduccin












Suelos granulares


5. Otros tpicos


Empujes ssmicos


5. Otros tpicos5.1. Diseo del muro de reaccin

El muro de reaccin puede configurarse, tpicamente, de las siguientes maneras:


Ubicacin

Anchor, en este caso, se

refiere al sistema de reaccin!

La idea (si se puede) es ubicar el muro de reaccin de manera tal que contribuya totalmente a la

resistencia.


Sheet Pile Anchor Walls (muro continuo superficial-tablestacado metlico)

- En el primer caso, dada la ubicacin del muro de reaccin, se logran desarrollar completamente las

cuas activas y pasivas por lo cual la capacidad ltima del muro est dada por Pp-Pa.

- Si las cuas se cortan a distancia h2 de la superficie del terreno (segundo caso), la resistencia del

muro se ve reducida en una cantidad Pp=0.5(Kp-Ka)(h2)2

Coulomb


Deadmen Anchors (muertos de anclaje)

La interaccin entre las superficies de falla activas y pasivas presentadas anteriormente tambin

aplican en el caso de muertos de anclaje.

Muertos de anclaje continuos

- Si 0.5H>h se considera que el muerto se extiende hasta la superficie del terreno y as la capacidad

ltima del muro es de reaccin es Tadm = (Pp-Pa)/FS. Se usa FS=2. (Carga por metro de muro).

- Si 0.5H


Deadmen Anchors (muertos de anclaje)

Muertos de anclaje cortos (superficiales)

En este caso se debe considerar el efecto del roce lateral:

donde Ault es la resistencia del muerto de anclaje en unidades de fuerza (no por metro). Aadm se

calcula con un FS=2.

5. Otros tpicos5.2. Empujes ssmicos

Teora de Mononobe-Okabe (Okabe, 1926; Mononobe, 1929)

El muro se puede mover lo suficiente como

para generar la condicin activa

Suelo seco y sin cohesin

Fuerzas sobre un muro, mtodo Mononobe-Okabe. FHWA

El sismo se representa de manera

pseudoesttica con fuerzas inerciales

horizontales y verticales actuando sobre la

cua de suelo asociada a la superficie de falla

Se utilizan coeficientes ssmicos verticales y

horizontales kh y kh, respectivamente, que se

expresan como una fraccin de Amax del sismo

de diseo

5. Otros tpicos5.2. Empujes ssmicos

Teora de Mononobe-Okabe (Okabe, 1926; Mononobe, 1929)

5. Otros tpicos5.3. Diseo ssmico emprico de tablestacas

Paper Empirical seismic design method for waterfront anchored sheetpile walls

Gazetas, Dakuolas, Dennehy (1990)

H

f

( ) 75.11352

45 eAE k +=

v

he k

kk

=

1

v

hee

a

akkmax3/21

max5.1

- Suelo bajo el nivel fretico

- Incorpora de forma aproximada el efecto hidrodinmico y el

incremento de presin de poros debida al sismo

Depende del

mtodo de clculo


El sismo trae como consecuencia que el punto efectivo de rotacin baje. Esto se debe a

un incremento en el empuje activo y una disminucin de la fuerza pasiva.

f se puede estimar mediante la expresin:

DHekf + )]20(02.0)1(50.0[o


E

F

F

E

C

T

I

V

E

A

N

C

H

O

R

I

N

D

E

X

(

E

A

I

) Hd

=EAI

++=

Hff

FF

AE

PE 1EPI

E

F

F

E

C

T

I

V

E

A

N

C

H

O

R

I

N

D

E

X

(

E

A

I

)

FPE y FAE son las fuerzas resultantes de

empuje activo y pasivo ssmico,

respectivamente (Mononobe-Okabe)


Niveles de dao

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Diseo de tablestacas

Profesor: Juan Carlos Tiznado A.

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