ES2563214B1 - Pilote con perfil de sección monosimétrica para contención de tierras - Google Patents
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Abstract
Pilote con perfil de sección monosimétrica para contención de tierras.#En la presente invención se propone un nuevo tipo de pilote que comprende un único perfil laminado monosimétrico embutido, de forma que las alas del perfil puedan tener distinto ancho y/o distinto espesor y cuyas dimensiones permiten reducir la cantidad de acero necesario sin que el pilote deje de resistir las solicitaciones requeridas.
Description
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DESCRIPCION
PILOTE CON PERFIL DE SECCION MONOSIMETRICA PARA CONTENCION
DE TIERRAS
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se enmarca en el sector de la ingenieria civil. Concretamente en el sector de las construcciones que requieren contencion de tierras y mas concretamente en el del diseno y la fabricacion de pilotes para contencion de tierras.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Actualmente hay varios procedimientos de construccion para muros de contencion de tierras. Uno de ellos es la ejecucion de una linea de pilotes fabricados in situ. La linea de pilotes divide al terreno en una parte que se pretende vaciar, es decir, una zona a vaciar, y una parte que no se desea vaciar, es decir, una zona no excavada, que es la que ejerce un determinado empuje de tierras sobre el muro de contencion, lo que produce sobre los pilotes una solicitacion asimetrica de acciones en una representacion M-N (Momento-Axil).
Los pilotes con perfiles embutidos se suelen ejecutar habitualmente introduciendo, tras la extraccion de la seccion cilindrica de tierra (ejecucion in situ), un perfil metalico con seccion en forma de "doble T", de "I" o de "H", con alas iguales (doblemente simetrico), y anadiendo el hormigon posteriormente, o bien rellenando de hormigon el agujero realizado e introduciendo posteriormente el perfil metalico.
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La unica anterioridad conocida por el solicitante sobre el uso de perfiles monosimetricos en pilotes de contencion es la patente CN20072042973U que describe el uso de mas de un perfil monosimetrico para lograr una mayor eficiencia del acero empleado como refuerzo del hormigon. Anteriormente no se ha considerado la utilizacion de perfiles con seccion monosimetrica.
OBJETO DE LA INVENCION
El objeto de la presente invencion es un pilote para la contencion de tierras con un perfil metalico embutido caracterizado porque la seccion del perfil es monosimetrica, de forma que permite optimizar la estructura de los muros de contencion. En particular, el perfil embutido en el pilote propuesto posee una seccion transversal cuyas dimensiones son inferiores a las soluciones actuales que emplean un perfil con seccion bisimetrica de alas iguales, consiguiendo asi una importante reduccion del material empleado y, por tanto, una mayor eficacia en el consumo de energia global.
En la gran mayoria de obras de contencion de tierras que utilizan pilotes de hormigon reforzados con perfiles metalicos embutidos, la aplicacion de esta invencion podria reducir la cantidad de material necesario para la fabricacion de dichos perfiles teniendo en cuenta las solicitaciones reales a las que se encuentra sometido el muro de pilotes. Estas solicitaciones consisten en el empuje de tierras y a la accion introducida por elementos superiores, en el caso de que estos existan.
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DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Figura 1.- Muestra dos secciones transversales de perfiles laminados. La seccion de la izquierda (A) es monosimetrica ya que solo tiene un eje de simetria (e1). La seccion de la derecha (B) es doblemente simetrica porque tiene dos ejes de simetria (el y e2).
Figura 2.- Muestra una seccion transversal de un pilote con perfil embutido doblemente simetrico. P representa el contorno del pilote, bf el ancho de las alas del perfil, tf el grosor de las alas, tw el espesor del alma, h la altura nominal y hw la atura del alma.
Figura 3.- Muestra una seccion transversal de un pilote con perfil embutido monosimetrico, cuyas alas presentan anchos (bfi y bf2) distintos.
Figura 4.- Muestra una seccion transversal de un pilote con perfil embutido monosimetrico cuyas alas presentan anchos (bf1 y bf2) y espesores (tf1 y tf2) distintos
Figura 5.- Muestra la distribucion de tensiones en la seccion transversal definida mediante el angulo 9 que separa las fibras traccionadas de las comprimidas.
Figura 6.- Muestra una representacion de las distintas soluciones obtenidas en el proceso de optimizacion. En este diagrama se han unido los puntos correspondientes a la seccion minima de acero para cada valor de alma, hw.
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DESCRIPCION DE LA INVENCION
En edificacion y obra civil se denomina "perfil laminado" a un elemento metalico cuya seccion transversal esta constituida por varios rectangulos (denominados "chapas"). Segun el numero de chapas y su orientacion relativa se obtienen distintos tipos de secciones transversales. Utilizando 2 chapas se obtienen perfiles con seccion en T o en L;, mientras que utilizando 3 chapas se obtienen perfiles en forma de U, I, H, o Doble T. La union entre estas chapas se realiza mediante acuerdos curvos.
Los perfiles laminados se producen a partir de la laminacion en caliente de palanquillas o tochos hasta darle la conformacion deseada.
Entre sus caracteristicas destaca su uniformidad
estructural pues no presentan soldaduras o costuras y tienen un bajo nivel de acumulacion de tensiones residuales localizadas. Se distinguen, basicamente en dos grandes familias:
a.1. Perfiles de alas paralelas:
Los perfiles de alas paralelas se producen en secciones tipo "I" y "H", tambien denominadas doble T. Tambien se denominan "Perfiles IPE". Se caracterizan por tener alas perpendiculares al alma, de caras paralelas, rectilineas y de espesor constante. En la presente invencion el termino "perfil con seccion doble T" incluye al perfil cuya ala menor tenga un ancho igual al grosor del alma, o perfil en T.
a.2. Perfiles de alas inclinadas:
Los perfiles de alas inclinadas se producen basicamente en secciones tipo "I", "U" y "L" y se caracterizan por tener
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los exteriores de las alas perpendiculares al alma, mientras las caras interiores de las alas presentan una inclinacion respecto de la cara exterior, por lo que los espesores de las alas son decrecientes.
En edificacion y obra civil es tambien frecuente el empleo de vigas armadas, obtenidas uniendo varias chapas mediante soldadura o con tornillos.
A lo largo de la invencion se entendera por "perfil monosimetrico" a un perfil (Fig 1, A), que presenta un unico eje de simetria (el) a lo largo del alma del perfil, mientras que por "perfil doblemente simetrico" (Fig. 1, B) se entendera a un perfil que presenta un segundo eje de simetria (e2) perpendiculares al anterior (el).
Los perfiles embutidos en pilotes que se utilizan habitualmente son perfiles de acero con un perfil de doble T doblemente simetrico cuyas alas tienen las mismas dimensiones de ancho (Fig. 2, bf) y de espesor (Fig 2, tf).
En la presente invencion se propone un nuevo tipo de pilote que comprende un unico perfil laminado monosimetrico embutido, de forma que las alas del perfil puedan tener distinto ancho (Fig. 3, wi y w2) y/o distinto espesor (Fig. 4, tf1 y tf2), y cuyas dimensiones permiten reducir la cantidad de acero necesario sin que el pilote deje de resistir las solicitaciones requeridas.
Las dimensiones del perfil se determinan utilizando el procedimiento de optimizacion objeto de la invencion.
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Para ejecutar ese procedimiento se admite que el punto medio del alma del perfil embutido coincide con el centro del circulo de hormigon. Puesto que el acero esta completamente embebido en la seccion de hormigon no apareceran inestabilidades y, por tanto, el agotamiento de la seccion mixta hormigon-acero sera plastico. La cantidad maxima y minima de acero embutido se delimita a traves del coeficiente de contribucion definido en la normativa de estructura mixta (Eurocodigo 4).
Las ecuaciones de resistencia aplicables a una seccion transversal son muy conocidas. En ellas interviene las aportaciones resistentes tanto de la parte de como de la seccion metalica embutida. Estas ecuaciones vienen dadas por las siguientes expresiones:
Nd = Nc (e)+Ns (e) Md = Mc (e) + Ms (e)
(Eq. 1)
donde:
Nd es el axil de diseno
Md es el momento flector de diseno
Nc(Q) y Mc(d) son el axil y flector resistidos por el
hormigon, respectivamente
Ns(Q) y Ms(Q)representan el axil y flector resistidos
por el acero, respectivamente; y e es una variable que define el angulo de la fibra que separa las partes comprimida y traccionada de la seccion transversal. (Figura 5)
Ademas, se han de tener en cuenta la normativa vigente y algunos condicionantes relativos al proceso constructivo:
- Es necesario elegir chapas manejables y que esten dentro de los estandares existentes.
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- El recubriendo minimo viene limitado por normativa.
- La cantidad de acero embutido tambien viene
limitada por la normativa a traves de una cota superior y otra inferior del factor de
contribucion, definido como:
A f
^ s J yd
Asf yd Acfcd
Siendo As el area de acero embebido, Ac el area de hormigon y fyd y fcd las resistencias de calculo de acero y hormigon respectivamente.
Procedimiento de optimizacion
Los parametros involucrados en el procedimiento son:
D diametro de la seccion de hormigon -pilote- fyd resistencia caracteristica del hormigon fcd resistencia caracteristica del acero tw espesor de la chapa del alma del perfil metalico
Atw variacion del espesor de la chapa del alma del perfil metalico en cada iteracion (del bucle 1) tfi y tf2 espesores de cada una de las alas del perfil metalico en cada iteracion (del bucle 2)
Atf1 y Atf2 variacion de los espesores de las alas del perfil metalico
Md Momento flector que solicita a la seccion (valor de calculo del momento flector)
Nd carga axil que solicita a la seccion (valor de calculo del axil)
bf1 y bf2 anchos de las alas del perfil metalico bfmax maximo valor del ancho del ala mas grande para garantizar que el recubrimiento es el adecuado (el recubrimiento persigue proteger al acero de la
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corrosion y para ello el elemento metalico ha de quedar rodeado de hormigon).
Abf1 y Abf2 variacion de los anchos de ambas alas del perfil metalico en cada iteracion
hw altura del alma del perfil metalico. Toma valores
entre d y D
Ahw incremento de la altura del alma del perfil metalico hw min Valor minimo de la altura del alma del perfil metalico
El proceso de optimizacion viene definido por el siguiente razonamiento: para optimizar la capacidad de ambos
materiales se dispondra el ala mas grande de la seccion metalica, que requiere mayor cantidad de acero, en la parte traccionada de la seccion transversal y lo mas
alejada posible del centro de gravedad de la seccion.
Asi, para un pilote de diametro D, dados los parametros de resistencia del acero y del hormigon, fyd, y los valores de las acciones exteriores del diseno, Md y Nd, el
procedimiento objeto comprende los siguientes pasos:
• Calculo, para cada grupo de parametros tw, hw, bf1, bf2,
tf1 y tf2, que determinan las dimensiones del perfil,
seleccionados de entre un conjunto finito de
parametros, de los siguientes valores: o Area del perfil
o Resistencia de la seccion transversal del pilote
o Factor de contribucion.
• Seleccion del conjunto de parametros que,
cumpliendo la solicitacion definida y la
normativa respecto al factor de contribucion, ofrezcan el area de perfil minima.
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En la practica, el conjunto de parametros tw, hw, bf1, bf2, tf1 y tf2, estara determinado por las dimensiones de las chapas disponibles para la confeccion de los perfiles laminados.
En una realizacion particular del procedimiento, se fijan los valores tw, tf1 y tf2 al inicio del proceso, de forma que los unicos parametros que varian son el alto del alma y la anchura de las alas. Preferentemente, se considerara el espesor de las alas igual (tf1=tf2)
En una realizacion preferente, para un pilote de diametro D, dados los parametros de resistencia del acero y del hormigon, fyd, y los valores de las acciones exteriores del diseno, Md y Nd, el procedimiento comprende los siguientes pasos:
Fijados los valores de tw, tf1 y tf2, se ejecuta el siguiente subproceso:
1. Se calcula el recubrimiento minimo para obtener bfmax
2. Se fijan bf1 : tw , bf2 : tw y hw : hw min
2.1. Se comprueba si el pilote cumple la solicitacion.
2.1.1. El pilote no cumple con la solicitacion.
2.1.1.1. Se incrementa el valor de bf2, bf2:= bf2 + Abf2.
2.1.1.2. Si bf2 < bfmax, vuelve al paso 2.1
2.1.1.3. Si bf2 >= bfmax, se incrementa el valor de bfi, bf1: = bf1 + Abf1 y se define bf2:= tw.
2.1.1.3.1. Si bf1 < bfmax, vuelve al paso 2.1
2.1.1.3.2. Si bf1 >= bfmax, se incrementa el
valor de hw, hw:= hw + Ahw, se define bf1:= tw
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2.1.1.3.2.1. Si hw <D, vuelve al paso 2.1.
2.1.1.3.2.2. Si hw >= D, se finaliza el subproceso
2.1.2. El pilote cumple con la solicitacion
2.2. Se comprueba si el factor de contribucion esta entre los limites fijados por normativa.
2.2.1. Si el factor de contribucion esta entre los limites fijados por la normativa, se almacenan las dimensiones del perfil.
2.2.2. En caso negativo, se incrementa el valor de hw, hw:= hw + Ahw y se define bfi:= tw y bf2:= tw, y se vuelve al paso 2.1
Una vez finalizado el subproceso, se modifican los valores de tf1, tf2 y/o tw, volviendose a ejecutar el subproceso para los nuevos valores.
De entre las soluciones almacenadas, se elige aquella que tenga menor area.
Opcionalmente, los datos almacenados se pueden representar graficamente como area total de acero versus altura del alma en una de forma que se puedan visualizar todas las posibles soluciones. A partir de esta representacion RSD se puede decidir el perfil optimo a embutir teniendo en cuenta otros factores
En una variante de realizacion, el alma de la viga puede ser sustituida por un conjunto de barras de acero soldadas a las almas, tambien denominado celosia. El metodo de calculo que se aplica para dimensionar el perfil de una
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viga de acero es tambien valido para dimensionar una celosia de este tipo.
En el caso en el que el muro pantalla se realice con losa encima, el ala de mayor area (espesor x ancho) se concentra en la parte que no da a tierras, mientras que el caso de muro de contencion en voladizo, el ala de mayor area se concentra en la parte que esta en contacto con la tierra contenida.
El proceso que aqui se plantea es directamente aplicable perfiles laminados de alas paralelas y a vigas armadas. En el caso de perfiles laminados de alas inclinadas, puesto que los espesores no son constantes, habria que adaptar ligeramente el procedimiento ya que la asimetria, y el consiguiente ahorro de material, se obtendria recortando una de las alas del perfil (es decir, reduciendo su ancho).
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
La realizacion preferente de la consiste en un pilote (16) con un perfil embutido monosimetrico donde las alas del perfil no son iguales e incluso puede ser una T si una de las alas no es necesaria.
Pilote con perfil monosimetrico embutido que resiste un momento flector de 515kN.m
El siguiente ejemplo muestra el dimensionamiento de un pilote de 600mm de diametro para resistir un momento flector de 515 kN-m.
Las condiciones consideradas son:
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• Diametro del pilote: 600 mm
• Resistencia del Hormigon: fck= 30 MPa
• Resistencia del Acero: fyk= 235 MPa
• Solicitacion a resistir es: Nd=0 y Md=515 kN^m
En este caso, se fija el espesor del alma del perfil: tw=10.2 mm, que no variara a lo largo del proceso.
Tambien se considera que el espesor de ambas alas del perfil metalico es igual, tf=tf1=tf2 y variara entre 10.2 mm y 2tw con pasos de 2mm. Es decir, Atf1 = Atf2= 2 mm.
La altura del alma del perfil metalico, hw, se inicializa en 100 mm y variara con pasos de 25 mm. Es decir, hw min = 10 0mm y Ahw=2 5mm.
Para cada combinacion de anchos de alas, bf1 y bf2 se calcula la resistencia de la seccion, M. Si dicha resistencia es mayor que Md=515 kN-m, se almacena el vector que contiene las dimensiones del perfil, la resistencia obtenida y el area del perfil (hw, bf1 , bf2 , tf , M , A,).
Una vez finalizado el procedimiento se podria determinar el perfil que, cumpliendo con la normativa, ofrece el menor area y, por consiguiente, requiera el menos acero.
No obstante, la eleccion final del perfil a utilizar depende de otros factores por lo que, para facilitar la eleccion se pueden presentar distintas opciones para cada espesor de las alas de ala o para determinadas alturas
Para ello basta con representar las distintas soluciones en una grafica donde el eje de abscisas representa alguno
de los parametros que influiran en la eleccion y el eje de ordenadas representa el area del perfil.
En la figura 6 se puede ver un conjunto de soluciones 5 obtenidas de forma que el eje de abscisas representa la altura del alma del perfil.
Para este ejemplo concreto, las dimensiones optimas en funcion del tipo de perfil, son:
- Doblemente simetrico
- Monosimetrico Monosimetrico en forma de T (bf2=tw)
- bfi=bf2=200 mm
- bf1= 2 82 mm; bf2=102mm bf= =272 mm
- tfi=tf2=16 mm
- tf1=tf2=14.2 mm tf= 18.2 mm
- hw=4 68 mm
- hw=4 50 mm hw=410 mm
- tw=10.2 mm
- tw=10.2 mm
- tw=10.2 mm
- As= 11173.6 mm2
- As= 10042.8 mm2 As= 9318.04 mm2
Se puede observar que el pilote objeto de la invencion 15 puede ahorrar una cantidad significante de acero respecto del perfil doblemente simetrico tradicionalmente empleado (10 % en el caso del perfil monosimetrico y 16.6 % en el caso del perfil en T).
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Claims (3)
- ES 2 563 214 A1REIVINDICACIONES5 1.- Pilote para contencion de tierras, que comprende un
unico perfil laminado monosimetrico embutido en suinterior. -
2. - Pilote para contencion de tierras segun la
10 reivindicacion 1, caracterizado porque los anchos de lasalas del perfil son diferentes. -
3. - Pilote para contencion de tierras segun lareivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los espesores15 de las alas del perfil son diferentes.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| WOPCT/ES2014/070155 | 2014-02-28 | ||
| WO14070155ES | 2014-02-28 | ||
| PCT/ES2014/070155 WO2015128515A1 (es) | 2014-02-28 | 2014-02-28 | Pilote con perfil de sección monosimétrica para contención de tierras |
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| ES201590135A Active ES2563214B1 (es) | 2014-02-28 | 2014-02-28 | Pilote con perfil de sección monosimétrica para contención de tierras |
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