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TABLAESTACAS

INTRODUCION.Las Tabla Estacas son usadas para: • •

Construir muros continuos para estructuras Ribereñas (que se encuentran al margen y orilla del mar o rio) que van desde pequeños embarcaderos hasta grandes muelles. (fig. 3.1.a) Para las estructuras temporales tales como cortes reforzados. (fig. 3.1.b)

La construcción de tabla estacas usualmente no requieren drenar el sitio deconstrucción.

Las tablas estacas pueden ser de: • • •

Tabla estacas de Madera Tabla estacas de Concreto Pre colado Tabla estacas de Acero

Propiedades de la Tabla estacas de Madera.Se usan para estructuras temporarias que están sobre el nivel freático, los tipos más comunes son: • • • •

Tablones de 2*12in (5*30 cm) de sección y son incados lado a lado.fig.3.2.a Pilas Wakefield se hacen clavando 3 placas. fig.3.2.b Tablones aserrados con lengüeta y ranura.fig.3.2.c Tablones con que tienen ranuras precortadas. fig.3.2.d

Propiedades de la Tabla estacas de Concreto Pre coladas.Se diseñan con refuerzo para resistir esfuerzos permanentes. •

Tienen de 20-30 in (50-80 cm) de ancho y 6-10 in (15-25 cm) espesor

Propiedades de la Tabla estacas de Acero.Son de 0.4 a 0.5 in (10 -13 mm) de espesor. Los trabes de las secciones de las tabla estacas son formados como un pulgar y dedo o una pelota y hueco.

ESFUERZO ADMISIBLE DE FLEXION DE DISEÑO

Las tablestacas de acero son convenientes por su resistencia a los altos Esfuerzos de hinchamiento desarrollado cuando son hincados en suelos duros. Ellas son también livianas y reutilizables.

Este capítulo trata de los principios de diseño para estructuras de retención ribereñas construidas con tablestacas. 3.2METODOS DE CONSTRUCCION DE TABLA ESTACAS.Las tablas estacas pueden ser divididas en: • •

Tabla estacas en VOLADIZO Tabla estacas ANCLADAS

Los métodos constructivos pueden ser divididos en 2 categorías: 1. 2.

Estructuras rellenadas. Estructuras drenadas.

 La secuencia de construcción de estructuras rellenadas es: (figura 1.4) Paso 1.- Drenar el suelo delante y detrás de la estructura propuesta. Paso 2.- Hincar las tablaestacas. Paso 3.-Rellenar hasta el nivel de anclamiento y colocar el sistema de anclamiento. Paso 4.- Rellenar hasta el nivel de la tablaestaca.

 La secuencia de construcción de una estructura drenada es: (figura 1.5) Paso 1.- Hincar las tablaestacas. Paso 2.- Rellenar hasta el nivel de anclamiento y colocar el sistema de anclamiento. Paso 3.- Rellenar hasta el nivel de la tablaestaca. Paso 4.- Drenar el lado frontal del muro.

3.3TABLA ESTACAS EN VOLADIZO.Son usualmente recomendadas para muros altura moderada, es decir, de aproximadamente de (6 m) o menos, medida desde la líneade drenaje. En tales muros, las tablestacas actúan como anchas vigas en voladizo por arriba de la línea de drenado. La distribución de presiones laterales puede ser explicada con ayuda de lagrafica 3.6 que muestra la naturaleza del giro de un muro en voladizo penetrado en un estrato de Arenoso bajo la línea de drenado. El muro gira alrededor del punto O. La presión hidrostática a cualquier profundidad de ambos lados de los muros se cancela y por ello se considera solo la presiónactiva del lado del terreno.En la zona A, la presion lateral es solo la presión activa del lado de tierra. En la zona B, debido a la naturaleza del acomodo del muro, habrápresión activa en el lado de la tierra y presión pasiva en el lado del agua. La situación se invierte en la zona C, es decir, debajo del punto de rotación O. Se debe tomar en cuenta que el nivel de Freático puede fluctuar como resultado por efecto de la marea. 3.4 TABLA ESTACAS EN VOLADIZO EN SUELOS ARENOSOS.Para determinar la apropiada profundidad de hincado de la tabla estaca analizaremos la fig.3.7.a

El nivel de agua esta en la profundidad L1 debajo del muro. El Angulo de fricción de la arena es ø. La intensidad de la presión activa a la profundidad de z=L1 es:

donde

coeficiente de presión activa de

=

Ranking Unitario del suelo sobre el nivel freático similarmente la presión activa a la profundidad donde Note que la línea de drenaje la presión hidrostática es la misma en ambos extremos del muro por lo tanto se cancelan una con la otra.Para determinar la presión lateral neta debajo la línea de drenaje y sobre el punto de rotación “O” como se muestra en la figura; un ingeniero debe considerar la presión pasiva actuando del lado izquierdo al lado derecho (lado del terreno) y también la presión activa del lado derecho hacia el lado izquierdo del muro. La presión activa a la profundidad z es:

Y la presión pasiva a la misma profundidad es:

presión lateral neta:

P= 0.5p1L1 + p1L2 + 0.5(p2 - p1)L2 + 0.5p2L3

Donde: La presión neta, p es igual a cero a la profundidad L3 debajo de la línea de drenaje, así de Ec.3.5

Esta ecuación nos indica que el talud de la línea de distribución de presiones DEF es 1 vertical a (Kp– Ka)γhorizontal. Así en el diagrama de presiones.

En la base de la Tabla estaca, la presión pasiva Pp, actúa desde la derecha hacia la izquierda y la presión activa de manera contraria. Así a la profundidad Z= L +D Pp=(γ*L1 + γ´ L2 +γ´D)KpEc. 3.8 Y a la misma profundidad Ahora , la presión lateral en la base de la tabla-estaca es:

donde

Para la estabilidad del muro, los principios de la estática pueden ser aplicados.  Suma de fuerzas horizontales por unidad de longitud del muro igual a cero.  Suma de momentos por unidad de longitud del muro igual a cero.  Para la suma de fuerzas horizontales.Aéreas del diagrama de presiones ACDE - área de EFHB + área de FHBG =0

Teniamos que

Combinando las ecuaciones y simplificando además, s

e obtienela siguiente ecuación de cuatro grado en términos de L4:

3.4.1CALCULO DEL MAXIMO MOMENTO DE FLEXION.El diagrama de momentos para una tabla estaca en voladizo es como se muestra en la figura. El máximo momento estará entre los puntos E y F´. Para obtener el máximo momento por unidad de longitud de muro se requiere determinar el punto de corte nulo. Para un nuevo eje z´( con origen en el punto E) para corte nulo.Cuando el punto de corte sea determinado (punto F´´ en la figura) la magnitud del momento máximo puede obtenerse como:

El perfil necesario para la tabla estaca es entonces medido acorde con el esfuerzo de flexión admisible del material.

Dónde: S= modulo de sección de la tabla estaca requerido por unidad de longitud. σ = Esfuerzo de flexión admisible de la tablestaca 3.5CASOSO ESPECIALES MUROS EN VOLADIZO EN (SUELOS ARENOSOS).  CASO 1 SIN LA PRESENCIA DE NIVEL FREATICO

 CASO 2 MURO EN VOLADIZO LIBRE.La fig. 3.10 nos muestra un muro en voladizo librepenetrando en un suelo arenoso y sujeto a una línea de carga P por unidad de longitud de muro. En este caso.

3.6 TABLAESTACAS EN VOLADIZO EN SUELOS ARCILLOSOS En algunas ocasiones, las tabla-estacas deben ser hincadas en suelos arcillosos que tienen condiciones c de cohesión no drenada, (ángulo de fricción nulo ). El diagrama de presiones por debajo de la línea de drenaje puede determinarse de la siguiente forma: A una profundidad z mayor que L1 + L2 y por sobre el punto de rotación ("O") la presión activa Pa de la derecha hacia la izquierda puede ser expresada como:

Dónde: Ka: coeficiente de presión activo, con ángulo de fricción interna nulo, igual a 1 Similarmente, la presión pasiva, Pp. desde a izquierda a la derecha se expresa como: dónde: Kp: coeficiente de presión pasivo, con ángulo de fricción interna nulo, igual a 1entonces la presión neta es:

En la base de la tabla estaca, la presión pasiva dela derecha hacia la izquierda es: Similarmente, la presión activa de la izquierda a la derecha es: Ahora la presión neta es: Para el análisis de equilibrio EFIB + área de GIH = 0, ó

esto es, el área del diagrama de presión ACDE - área de

donde P1= presiones de diagrama del área ACDE: Simplificando las anteriores ecuaciones se obtiene: Ahora, tomando momento alrededor del punto B,

donde Z1 = distancia del centro de presión del diagrama de presiones ACDE medido desde el nivel de la línea de drenaje. Combinando estas ecuaciones se tiene:

De esta ecuación se despeja la profundidad teórica D de la penetración de la tabla-estaca en el estrato de arcilla. 3.6.2 CALCULO DEL MAXIMO MOMENTO DE FLEXION De acuerdo a la figura 3.11 el máximo momento (fuerza cortante nula) ocurrirá entre

Utilizando un nuevo sistema de coordenadas z' (z=0 en la línea de drenaje) para la fuerza cortante nula, se obtiene: O Ahora se obtiene la magnitud de momento máximo: Conocido el Mmax se determina el módulo de la sección De la tabla estaca con la ecuación

3.7CASOSO ESPECIALES MUROS EN VOLADIZO EN (ARCILLA).  CASO 1 SIN LA PRESENCIA DE NIVEL FREATICO

La profundidad teórica de penetración D, puede ser calculada como:

Donde La magnitud del máximo momento en el muro es:

 CASO 2 MURO EN VOLADIZO LIBRE.La fig. 3.14 nos muestra un muro en voladizo libre

penetrando en un suelo arcilloso y sujeto a una línea de carga P por unidad de longitud de muro. En este caso.

la profundidad de penetración D, puede ser obtenida de

Note que para la construcción del diagrama de presiones

El máximo momento en el muro es: Dónde: 3.8 TABLAESTACAS ANCLADAS Cuando la altura del relleno del material detrás de una tablaestaca en voladizo excede los 20 ft (aprox. 6 mts), enganchando la tablaestaca cerca a la cima a planchas de anclaje, muros de anclaje, o pilas de anclaje se vuelven más económicas. Este tipo de construcción se conoce como tablaestacas ancladas o cabezales anclados. Los anclajes minimizan la profundidad requerida de penetración para las tablaestacas y también reducen la sección y el peso de las tablaestacas necesarias para la construcción. Sin embargo, las varillas de enganche y los anclajes deberán ser cuidadosamente diseñados. Los dos métodos básicos de construcción de tablaestacas ancladas son: a) El método de soporte libre del terreno b) El método de soporte fijo del terreno.

El método de soporte libre del terreno involucra una mínima profundidad de penetración. Bajo la línea de dragado, no existe un punto de pivote para el sistema estático. 3.9 MÉTODO DE SOPORTE LIBRE DEL TERRENO PARA SUELOS GRANULARES Este método se utiliza cuando se tiene una tabla estaca va a ser hincada en un suelo granular. La varilla de enganche que conecta a la tablaestaca con el anclaje está localizada a una profundidad “l1 ” bajo la cima del muro.

Los primeros pasos son similares a los pasos para tablaestacas en voladizo en suelos arenosos,por tanto, resumiendo:

z = L1z = L1+ L2 Hallar la presión P1 a una profundidad L1 p1=γ L1 K a Calcular P2

γ L +γL 2 ¿ K a p1=¿ 1

Debajo la línea de drenado, la presión será nula a z = L1+ L2+ L3 Calcular L3

L3=

p γ ’ (K p – K a)

a z = L1+ L2+ L3+ L4 la presión es :ps=γ’(Kp – Ka)L4 Note que el talud de la línea DEF es 1 vertical a γ’(Kp – Ka)L4 horizontal. Sumando las fuerzas en dirección horizontal se tiene: área del diagrama de presiones ACDE - área de EBF - F = 0 dónde: F = tensión en la varilla / unidad de longitud del muro, óP − ó

F =P -

1 p L4 − F = 0 2 s

1 (γ’ (Kp – Ka))L42 2

Dónde: P = área del diagrama de presiones ACDE Ahora, tomando momento respecto al punto O' se tiene: 1 2 - P((L1+ L2+ L3)-( z +l1))+ (γ’(Kp – Ka)) L42(L1+ L2+ L3+ L)=0 2 3 4 El procedimiento paso a paso que se estudió nos indicaba que un factor de seguridad podía ser aplicado a l coeficiente Kp El máximo momento teórico, para el cual la tablaestaca sea sujetada se produce a una profundidad entre z = L1y z = L1+ L2 . La profundidad z, para el corte nulo y momento máximo, puede ser calculada con: 1 1 p1 L1− F+ p1-( z +l1)+ Ka γ’( z +l1) 2= 0 Una vez el valor de z sea determinado, la 2 2 magnitud del momento máximo es fácil de obtener 3.10. DIAGRAMAS DE DISEÑO PARA EL MÉTODO DEL SOPORTE LIBRE DEL TERRENO (SUELO GRANULAR) Utilizando este método, Hagerty y Nofal crearon diagramas de diseño simplificados para la rápida estimación de la profundidad de penetración, D,la fuerza de anclaje, F, y el máximo momento, Mmax, para tablaestacas ancladas el suelos granulares. Se realizaron siguiendo las siguientes suposiciones para su análisis. o o

El ángulo de fricción del suelo, φ, por sobre y bajo la línea de drenado es el mismo. El ángulo de fricción entre la tablaestaca y el suelo es φ/2

La presión de suelo pasiva bajo la línea de drenado tiene superficie de falla en forma de espiral logarítmica.

Las magnitudes de D, F, y Mmax pueden ser calculadas de las siguientes relaciones: Dónde: γa= peso unitario promedio del suelo GD = empotramiento generalizado no dimensional

GF = Fuerza de anclaje generalizada no dimensional

GM = Momento generalizado no dimensional

CDL1, CFL1, CML1 = factores de corrección para L1≠0 Las variaciones de GD, GF, GM, CDL1, CFL1 y CML1 se muestran en las figuras.

Variación de GD contra l1 / (L1 + L2) y φ

Variación de GF contra l1 / (L1 + L2) y φ

Variación de GM contra l1 / (L1 + L2) y φ

Variación de CDL1 contra l1 / (L1 + L2) y φ

Variación de CFL1 contra l1 / (L1 + L2) y φ

Variación de CML1 contra l1 / (L1 + L2) y φ

3.11. MÉTODO DE SOPORTE LIBRE DE TERRENO PARA ARCILLAS La distribución de presiones bajo la línea de drenado desde: z = L1+ L2 a z =L1+ L2+D p6= 4c –(γL1+γ'L2) Para el equilibrio estático, la suma de las fuerzas horizontales es: P1–p6 D = F Otra vez, tomando momento respecto de O' se tiene:

Tabla estaca hincada en arcilla P6 D2+ 2 p6 D(L1+ L2– l1)- 2 p1(L1+ L2– l1– z1) = 0 Ecuación que nos da la profundidad teórica de penetración D. Como en la anterior sección el máximo momento en este caso ocurre a la profundidad de L1L 5 se puede considerar la condición de esfuerzos planos. Para B/h < 5, considerará el caso de una superficie de falla tridimensional (p.e. considerando para la resistencia de fricción desarrollada en las terminaciones del anclaje), Teng, da la siguiente relación de resistencia última de anclaje:

Donde Ko = coeficiente de presión de tierra en reposo = 0.4 Recientemente, Ovesen y Stromann (1972) proponen un método para determinar la resistencia última de anclaje en arena. El método es descrito abajo y es recomendable su uso como el método más racional del momento. Paso 1.-. Consideración del caso básico. Determine la profundidad de empotramiento, H. Asuma que la losa de anclaje tiene una altura de H y es continua (p.e. B = longitud de la losa de anclaje perpendicular a la sección = oo) La siguiente notación se usa: W=peso por unidad de longitud de losa de anclaje Pu´= Resistencia última por unidad de longitud de anclaje δ = ángulo de fricción entre la losa de anclaje y el suelo ǿ = ángulo de fricción del suelo Pa= fuerza activa por unidad de longitud de anclaje Pp = fuerza pasiva por unidad de longitud de anclaje

Utilizando la magnitud de K p senδ obtenida se estima la magnitud de K p cosδ del diagrama dado en la figura. Paso 2.- Caso de una tira. Determine la altura real del anclaje, h, a ser construido. Si un anclaje continuo (esto es B=oo) de altura h es colocado en el suelo para que su profundidad de empotramiento sea H, la resistencia última por unidad de longitud es

Paso 3.- Caso real. En la práctica, las placas de anclaje se colocan en una fila con un espacio centro a centro, S'. La resistencia última de cada anclaje es: Donde Be = longitud equivalente. La longitud equivalente es una función de S', B, H y h. Se muestra un dibujo de (Be - B)(H + h) contra (S' - B)(H + h) para los casos de arenas densas y sueltas. Con los valores conocidos de S', B, H y h, el valor de Be puede ser calculado y utilizado en la ecuación 3.95 para obtener la resistencia última.

Das (1975) y Das & Seeley (1975) presentaron las siguientes relaciones de carga -desplazamiento para anclajes:

Dónde:

La relación dada en la ecuación 3.96 es válida para B/h de 1 a 5 y H/h de 1 a 5

Fig. Placas o vigas de anclaje vertical, desplazamiento horizontal bajo carga última 3.14 RESISTENCIA ÚLTIMA DE PLACAS Y VIGAS DE ANCLAJE EN ARCILLA (Condición φ =0) También se han realizado pocos estudios para este caso, Mackenzie (1955) y Tschebotarioff (1973) identificaron la naturaleza de la variación de la resistencia última de anclas en tira y vigas como una función de H, h y c(cohesión no drenada basada en φ = 0) en forma no dimensional basada en resultados de ensayos de laboratorio. Cuando una placa de anclaje de dimensiones h x B empotrada a una profundidad H, la superficie de falla en el suelo para una carga última puede extenderse a la superficie del suelo, como se muestra en la figura 3.41a. Esta condición puede surgir cuando la relación H/h es relativamente pequeña. Sin embargo, para valores de H/h grandes, toma lugar una falla de corte local para carga última (ver figura 3.41b).

Fig. 3.41 Superficie de falla del suelo cerca de una placa de anclaje vertical: a) H/h relativamente pequeño; b) H/h > (H/h) El valor crítico de H/h para el cual una falla de corte general cambia a falla de corte local en el suelo es:

En las anteriores ecuaciones las unidades de cohesión no drenada están en lb/ft2. La resistencia última para una placa de anclaje puede ser expresada en una forma no dimensional como: Fc=

Pu Bhc

Donde: Pu= resistencia ultima Fc= factor de ruptura

La figura 3.42 muestra la naturaleza de variación de Fc contra H/h para una placa de anclaje empotrada en arcilla. Note que, para H/h >= (H/h)cr,la magnitud de Fc es igual que Fc(max), la cual es una constante. Para anclajes cuadrados (B = h), Fc(max) = 9. Así, con2 H/h >= (H/h)cr-C, Pu =9h c (para anclajes cuadrados)

Fig. 3.42 Para anclajes rectangulares con H/h >= (H/h)cr-R, la resistencia última puede estar dada por:

Así, para anclajes cuadrados y rectangulares con H/h