Las tablestacas de acero se utilizan ampliamente para estructuras de contención de tierra. Estos pueden diseñarse como muros en voladizo para muros de contención continuos y ataguías, o como cortes arriostrados cuando se trata de excavaciones profundas para la construcción.
Una pared de tablestacas debe resistir las siguientes cargas una vez que se ha instalado en el sitio:
1. Presiones de tierra laterales en condiciones estáticas
2. Presiones laterales de la tierra debido a terremotos
3. Presiones hidrostáticas debido a la acumulación de presión de agua intersticial en el lado retenido
4. Carga adicional en la parte superior del lado retenido (por ejemplo, carga de tráfico, carga de construcción)
Una pared de tablestacas se idealiza generalmente como un miembro de flexión, ya que resiste principalmente las tensiones de flexión de las cargas antes mencionadas. Su resistencia se puede determinar a partir de dos componentes: la propiedad geométrica de la tablestaca y la calidad del material a utilizar.
Sabemos que para un miembro sometido a flexión pura dentro del límite elástico, el esfuerzo máximo de flexión de un miembro de flexión se define como
Dónde:
σmax = tensión normal máxima causada por flexión o "flexión", a menudo denominada tensión de flexion
M = momento flector aplicado al miembro, para este caso la tablestaca
c = distancia desde el eje neutro del miembro hasta la fibra de tensión / compresión extrema de la sección
I = segundo momento del área, a menudo referido como el momento de inercia
Refiriéndose a la Ec. (1), se puede seleccionar la sección de miembros adecuada investigando la relación, I / c. Esta relación se define como el módulo de sección elástica, S, y depende puramente de las propiedades geométricas del miembro. Sustituyendo S por I / c en la ecuación. (1), la tensión máxima de flexión se puede definir de la siguiente manera:
Vemos en la ecuación. (2) que max es inversamente proporcional al módulo de sección elástica, S. Esto implica que los elementos de flexión deben diseñarse con un valor de S tan grande como sea práctico [1]. Para ilustrar esto, usemos un ejemplo básico tomando dos (2) piezas de vigas de madera con secciones transversales rectangulares de la misma área, como se presenta en la Figura
Figura 1. Dos vigas de madera de la misma área, A (Fuente: Beer, F.P. Mechanics of Materials, 8th Ed.)
Para vigas rectangulares, el módulo de sección elástica, S, se puede calcular de la siguiente manera:
Podemos ver en la Ec. (3) que para dos vigas de áreas transversales iguales (denotadas por A), la viga con mayor profundidad, h, tendrá un módulo de sección más grande y será más efectiva para resistir las tensiones de flexión debido a las cargas aplicadas .
Este principio fundamental también se puede aplicar a otras formas estructurales. Para una pared de tablestacas, una gran parte del área de la sección transversal está ubicada lejos del eje neutro de la sección. Si una sección de tablestacas tiene una gran profundidad, se esperan valores más altos para el momento de inercia, I, y el módulo de sección, S. Esto, a su vez, hace que la tablestaca funcione mejor en términos de flexión.
Aparte de las propiedades geométricas de la tablestaca, el grado del material también se debe considerar al seleccionar la sección apropiada. Las tablestacas suelen estar hechas de acero estructural. En comparación con otros materiales de construcción, el acero tiene un límite elástico y generalmente es de naturaleza dúctil. El límite elástico del acero varía ampliamente y depende de varios factores, como la composición química y el proceso de fabricación. Los estándares de materiales y pruebas también juegan un papel crítico en el límite elástico del acero, ya que algunos proyectos requerirían que se cumplan ciertos estándares y / o especificaciones de materiales como parte del diseño de ingeniería detallado.
Volviendo a la ecuación. (2), sabemos que el esfuerzo de flexión máximo disminuye a medida que aumenta el módulo de la sección. Si tomamos el límite elástico, Fy, como el esfuerzo de flexión máximo, max, dividido por un factor de seguridad, Ω, Eq. (2) se puede expresar de la siguiente manera:
Esto implica que a medida que el ingeniero diseña un muro de tablestacas para un mayor límite elástico del acero, el módulo de sección requerido para el proyecto sería menor. Esto se traduce en una sección de tablestacas más liviana y se logra la optimización del diseño / ingeniería de valor.
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La resistencia de la tablestaca depende de la geometría y la resistencia del material utilizado. Depende del ingeniero de diseño determinar la sección adecuada de tablestacas y la resistencia del material que se utilizará para el proyecto. Por supuesto, esto depende de la disponibilidad de las propiedades seleccionadas y de la experiencia y el juicio de ingeniería del ingeniero.
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