Anclajes. (84.07) Mecánica de Suelos y Geología FIUBA

Transcripción

1 (84.07) Mecánica de Suelos y Geología FIUBA 1

2 Índice Definiciones Clasificación de anclajes pasivos y activos Selección del tipo de anclaje Mecanismos físicos y eficiencia de anclajes Elementos para el diseño práctico de anclajes de múltiple longitud fija Aspectos tecnológicos Ensayo 2

3 Definiciones: Un anclaje es una estructura de fundación para cargas de tracción 3

4 Definiciones: Un anclaje es una estructura de fundación para cargas de tracción Está constituido por barras o cables instalados en una perforación, que se rellena con pasta de cemento 4

5 Definiciones: Un anclaje es una estructura de fundación para cargas de tracción Está constituido por barras o cables instalados en una perforación, que se rellena con pasta de cemento La carga se transfiere al terreno por corte, a través del relleno de la perforación 5

6 Verificaciones necesarias 6

13 Clasificación según material de barra 13

14 Clasificación según material de barra de cable 14

15 Clasificación según material de barra de cable de placa o hélice 15

16 Clasificación según durabilidad temporales Vida útil menor a dos años Su especificación ió es elección del constructor permanentes Vida útil mayor a dos años La resistencia a la corrosión es un requisito de diseño Su especificación es elección del proyectista t 16

17 Anclaje de cables simple protección anticorrosiva 17

18 Anclaje de cables doble protección anticorrosiva 18

19 Anclaje de barra simple protección anticorrosiva 19

20 Anclaje de barra doble protección anticorrosiva 20

21 Clasificación según técnica de inyección (FHWA) A: Inyección por gravedad B: Inyección global única C: Posinyección en etapas D: Con campanas 21

22 Inyección global única (IGU) Se instala el anclaje con tubos de inyección Se llena la perforación con pasta A través de los tubos se inyecta lechada a presión (los tubos quedan tapados) El suelo queda predeformado e inyectado 22

23 Posinyección repetitiva global 23 Se coloca una línea con varias válvulas en paralelo Luego del endurecimiento i parcial de la pasta se inyecta nueva pasta a alta presión La pasta nueva fractura la pasta endurecida y clava sus Inyección de pasta fragmentos en el suelo Válvulas abiertas Se lava la línea con agua No se conoce la zona inyectada Inyección Retorno cerrado Válvulas cerradas Enjuague Inyección de agua Retorno abierto

24 Posinyección repetitiva global La posinyección puede incrementar la capacidad en un 20% a un 50% por ciclo (PIT, 1996) Válvulas de retención Línea de inyección Inyección Retorno 24

25 Posinyección repetitiva global Conectar manguera de lechada......hasta que salga pasta limpia cerrar extremo y posinyectar

26 Posinyección repetitiva global Conectar el agua......dejar salir el grout hasta que sale agua limpia

27 Posinyección repetitiva selectiva (IRS) Se utiliza un tubo de manguitos Se baja un obturador y se fractura la lechada endurecida Se inyecta lechada a alta presión La lechada nueva empuja la pasta endurecida y la clava en el suelo Se lava la línea con agua Se conoce la zona que está siendo inyectada 27

28 Perforación Inyeccion a presión Instalación de anclaje Tesado Llenado de perforación Proteccion anticorrosiva de cabeza 28

30 pasivos vs activos Un anclaje pasivo es un anclaje que se carga cuando se deforma la estructura que sostiene 30

31 pasivos vs activos (0.3 to 0.4) H Un anclaje pasivo es un anclaje que se carga cuando se deforma la estructura que sostiene La carga máxima no llega a la cabeza del anclaje (excepto placas) Puede no requerir placa de cabeza T 3 T 2 T 1 L p L p Locus of Maximum Nail Axial Force Critical failure surface from limit equilibrium with FS GL Distribution of tension along nail 31 L p difi d f

32 pasivos vs activos Un anclaje activo es un anclaje que se carga mediante técnicas de postesado 32

33 pasivos vs activos Un anclaje activo es un anclaje que se carga mediante técnicas de postesado La carga máxima llega a la cabeza del anclaje Siempre requiere una placa de cabeza 33

34 Cómo reconocer los anclajes activos y pasivos activos: La carga inicial es mayor al 70% de la carga de diseño Tienen longitud libre Tienen poca rigidez axial: la carga cambia poco con la deformación Material: cable o barra de alta resistencia 34

35 Cómo reconocer los anclajes activos y pasivos 35 activos: La carga inicial es mayor al 70% de la carga de diseño Tienen longitud libre Tienen poca rigidez axial: la carga cambia poco con la deformación Material: cable o barra de alta resistencia pasivos: La carga inicial es nula o casi nula Tienen gran rigidez axial: la carga cambia linealmente con la deformación Material: placas, hélices y barras, incl. autoperforantes

36 Cómo reconocer los anclajes activos y pasivos P Pdiseño Anclaje activo: menos deformación pero mayor carga sobre la estructura P 0 Anclaje pasivo: mayor deformación pero menor carga sobre la estructura activo pasivo 36

37 Micropilotes Un micropilote es un anclaje de barra (o tubo), inyectado, sometido a cargas de compresión Una perforación llena de hormigón con 4ϕ12 es un pilote chiquito, no un micropilote 37

39 Factibilidad del uso de anclajes Consideraciones i previas: Es factible su uso? Características de estructura Obstáculos Instalaciones Propiedad del terreno Efectos en estructuras adyacentes Legislación y servidumbre 39

40 Selección de tipo de anclaje según terreno Terreno Barra Cable Placa o hélice Roca Si Si No Arcillas y limos plásticos Si Si Si, suelos no cementados Arenas Si, mejor Si, lodos o Si autoperforante camisas Gravas Si, mejor autoperforante Si, lodos o camisas No 40

41 Selección: anclajes activos o pasivos Extenso rango de carga Mayor longitud Todo tipo de terreno Menor deformación Más removibles Pero: Mayor carga en la estructura

42 Selección: anclajes activos o pasivos 42 Moderado rango de cargas de servicio Más económicos Longitudes limitadas Difíciles de remover Menor carga en la estructura Pero: Mayor deformación

44 Mecanismos de transferencia La transferencia de carga se produce a través de: Adhesión lechada perforación (c 1 ) Fricción y dilatancia (ϕ) Resistencia puentes de lechada (c 2 ) Ensanchamientos localizados de bulbo inyectado (Φ med ) 44

45 Mecanismos de transferencia La transferencia de carga se produce a través de: Adhesión lechada perforación (c 1 ) Fricción y dilatancia (ϕ) Resistencia puentes de lechada (c 2 ) Ensanchamientos localizados de bulbo inyectado (Φ med ) 45 La respuesta global depende de la técnica de inyección

46 Análisis de interfase pasta-suelo σ r = K 0 γ z σ c = K 0 γ z c 0 Estado inicial Tensión radial Tensión circunferencial 46

47 Análisis de interfase pasta-suelo σ r = K 0 γ z σ c = K 0 γ z c 0 Estado inicial Tensión radial Tensión circunferencial σ r = 0 σ c = 2K 0 γ z Estado inicial Perforación 47 Tensión radial Tensión circunferencial

48 Análisis de interfase pasta-suelo σ r = γ h z σ c = 2K 0 γ z σ r Estado inicial Perforación Llenado y fraguado Tensión radial Tensión circunferencial 48

49 Análisis de interfase pasta-suelo σ r = γ h z σ r = 2K 0 γ z σ r Estado inicial Perforación Llenado y fraguado Tensión radial Tensión circunferencial σ r 60% p i σ c = falla plástica Estado inicial Perforación Llenado y fraguado Posinyección 49 Tensión radial Tensión circunferencial

50 Análisis de interfase pasta-suelo Carga última proporcional a tensión radial: τ ult = σ r tan φ ( ) + c 1 + c 2 Tensión radial limitada por falla del suelo Mayor presión de inyección: mayor σ r, c 1,c 2,Φ med σ r 60% p i σ c = falla plástica Estado inicial Perforación Llenado y fraguado Posinyección 50 Tensión radial Tensión circunferencial

51 Análisis de interfase pasta-suelo: dilatancia La deformación produce un incremento adicional de presión radial: aumenta mucho la resistencia 51

52 Ejemplo de cálculo de resistencia unitaria PERFORACIÓN d o d o := 0.15 m r o := 2 COEFICIENTE DE EMPUJE EN REPOSO K o := 0.75 COTA MEDIA DE FUNDACIÓN z o := 12 m PRESIÓN VERTICAL DE CONFINAMIENTO σ z := γ h z o σ z = 228 KPa PRESIÓN HORIZONTAL σ h := K o σ z σ h = 171 KPa PRESIÓN NORMAL EN 1 SUPERFICIE DE FALLA σ o.m := K o ( K o 1) cos( 2 α) σ z σ o.m = 188 KPa PRESIÓN DE INYECCIÓN p o > σ o.m p o := 1200 KPa TENSIÓN RADIAL 2 2 r o r σ r () r σ o.m 1 o := + p o σ r r o r r ( ) = 1200 KPa 52

53 Ejemplo de cálculo de resistencia unitaria RESISTENCIA AL CORTE PERÍMETRO RESISTENCIA ESPECÍFICA AL ARRANCAMIENTO RESISTENCIA AL CORTE MEDIA τ med T r r o RESISTENCIA AL ( ) τ r () r := σ r ( r) tan φ ui + c ui τ r r o A k () r := 2 π r A k r o ( ) = 379 KPa ( ) = m T KN r ( r) := A k ( r) τ r ( r) T r ( r o ) = 179 m ( ) := τ ( ) med = 379 KPa A k r o ARRANCAMIENTO NECESARIA T U := ν T nec T U = 1044 KN T U LONGITUD FIJA NECESARIA L nec := A k r o ( ) τ med L nec = 5.8 m 53

54 Falla progresiva Mecanismos de falla Pérdida de adhesión para bajas deformaciones Ablandamiento post pico del suelo Ruptura de puentes de pasta Aplastamiento t del suelo en ensanchamientos 54

55 Falla progresiva 55 Mecanismos de falla Pérdida de adhesión para bajas deformaciones Ablandamiento post pico del suelo Ruptura de puentes de pasta Aplastamiento t del suelo en ensanchamientos Rotura progresiva del contacto t bulbo terreno: Eficiencia

56 Eficiencia de un anclaje Cociente entre volumen real de tensiones y volumen teórico en falla plástica Disminuye i con el aumento de la longitud fija 56

57 Eficiencia de un anclaje Cociente entre volumen real de tensiones y volumen teórico en falla plástica ( 50%?) Disminuye i con el aumento de la longitud fija 57

58 Eficiencia de un anclaje 10 m: f = 0.43 P = 0.43x10m = 4.3m 15 m: f = 0.34 P = 0.34x15m = 5.1m 58

59 Similitud: tensión de adherencia en barras lisas en hormigón armado 59 (Spampinato 1952)

60 Mecanismos de falla en anclajes de placa La falla de un anclaje de placa es un problema 3D 60

61 Mecanismos de falla en anclajes de placa La falla de un anclaje de placa es un problema 3D Hay soluciones analíticas aproximadas 61

62 Mecanismos de falla en anclajes de placa La falla de un anclaje de placa es un problema 3D Hay soluciones analíticas aproximadas Puede resolverse por métodos numéricos éi (no es simple) 62

64 Consecuencias prácticas de los mecanismos de transferencia La carga última: Crece poco con el diámetro de la perforación 64

65 Consecuencias prácticas de los mecanismos de transferencia La carga última: Crece poco con el diámetro de la perforación Crece poco con la longitud fija, para L >12m 65

66 Consecuencias prácticas de los mecanismos de transferencia La carga última: Crece poco con el diámetro de la perforación Crece poco con la longitud fija, para L >12m Crece mucho con la presión de inyección 66

67 Consecuencias prácticas de los mecanismos de transferencia La carga última: Crece poco con el diámetro de la perforación Crece poco con la longitud fija, para L >12m Crece mucho con la presión de inyección Crece 20% a 50% por cada ciclo de posinyección (hasta tres ciclos) 67

68 Consecuencias prácticas de los mecanismos de transferencia La carga última: Crece poco con el diámetro de la perforación Crece poco con la longitud fija, para L >12m Crece mucho con la presión de inyección Crece 20% a 50% por cada ciclo de posinyección (hasta tres ciclos) 68 La carga última de un anclaje se estima como carga por metro lineal mas que como tensión última

69 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) Table 6. Presumptive ultimate values of load transfer for preliminary design of small diameter straight shaft gravity-grouted ground anchors in soil. Soil type Relative density/consistency (SPT range) (1) Estimated ultimate transfer load (kn/m) Loose (4-10) Sand and Gravel Medium dense (11-30) Dense (31-50) Sand Loose (4-10) Medium dense (11-30) Dense (31-50) Sand and Silt Loose (4-10) 70 Medium dense (11-30) 100 Dense (31-50) 130 Silt-clay mixture with low Stiff (10-20) 30 plasticity it or fine micaceous sand Hard (21-40) 60 or silt mixtures Longitud < 12m

70 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) Table 8. Presumptive ultimate t values of load transfer for preliminary design of ground anchors in rock. Rock type Estimated ultimate transfer load (kn/m) Granite or Basalt 730 Dolomitic Limestone 580 Soft Limestone 440 Sandstone 440 Slates and Hard Shales 360 Soft Shales Longitud < 12m

71 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) Rock type Table 7. Presumptive average ultimate bond stress for ground/grout interface along anchor bond zone (after PTI, 1996). Rock Cohesive Soil Cohesionless Soil Average ultimate Anchor type Average ultimate Anchor type Average ultimate bond stress bond stress bond stress (MPa) (MPa) (MPa) Granite and basalt Gravity-grouted anchors (straight shaft) Dolomitic limestone Pressure-grouted anchors (straight shaft) Gravity-grouted anchors (straight shaft) Pressure-grouted anchors (straight shaft) Soft limestone Soft silty clay Fine-med. sand, med. dense dense Slates and hard shales Silty clay Med. coarse sand (w/gravel), med. dense Soft shales Stiff clay, med. to high plasticity Med. coarse sand (w/gravel), dense - very dense Sandstones Very stiff clay, med Silty sands to high plasticity Weathered Stiff clay, med Dense glacial till Sandstones plasticity Chalk Very stiff clay, med. plasticity Weathered Marl Very stiff sandy silt, med. plasticity Concrete Sandy gravel, med. dense-dense Sandy gravel, densevery dense Diámetro < 0.20m, Longitud < 12m T ult = π Φ L q s

72 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) T ult = π ( α Φ) L q s Bustamante&Doix, Arenas y gravas Diámetro < 0.20m Longitud < 12m 72

73 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) 73 Bustamante&Doix

74 Diseño de la longitud fija (verificar con ensayos) T ult = π ( α Φ) L q Diámetro < 0.20m s Longitud < 12m 74 Bustamante&Doix, Limos y arcillas

75 Diseño de la longitud fija (miren la data de base) T ult = π ( α Φ) L q Diámetro < 0.20m s Longitud < 12m 75 Bustamante&Doix, Limos y arcillas

77 SMBA 77

78 SMBA Transfiere la carga de cada torón a un segmento del bulbo Mantiene la eficiencia i i por encima del 65% - 75% 78

79 SMBA 79

81 Elementos de anclajes de cables 81

82 Elementos de anclajes de cables Vaina corrugada Compuesto anticorrosivo Sello Cordón desnudo Cordón envainado y engrasado Centralizadores Espaciadores Grout cementicio 82

83 Elementos de anclajes de cables 83

84 Elementos de anclajes de barra Compuesto anticorrosivo Grout cementicio Vaina corrugada Vaina lisa Puntera Centralizador 84

85 Elementos de anclajes de barra

86 Fabricación de anclajes de cable 86

88 Ensayo de anclajes Ensayo de investigación: Ensayo destructivo Se provoca la falla por el suelo Ensayo de aptitud Comprobación del diseño Carga de prueba Ensayos de recepción La longitud libre aparente La calidad real del anclaje

89 Ensayo de investigación Se sobredimensionan los torones El anclaje se tesa hasta la falla o hasta carga de prueba P p P p < 0.80 P ult (torones) P p <090P 0.90 fl (fl. nominal) Mínimo 6 escalones carga 89

90 Ensayo de aptitud El anclaje tiene la configuración de servicio Se tesa hasta P p < 0.95 P fl P p > 1.25 P 0 Mínimo 5 escalones carga 90

91 Ensayo de recepción Anclaje con configuración de servicio Se tesa hasta 1.25 P 0 Mínimo 4 escalones de carga La carga se mantiene 15 y se mide la fluencia 91

92 EN 1537: Método de prueba 1 Al final de cada ciclo se mide el desplazamiento durante un cierto período de tiempo y se descarga - recarga 92

93 EN 1537: Método de prueba 2 Al final de cada ciclo se mide la pérdida de carga durante un cierto periodo de tiempo 93

94 EN 1537: Método de prueba 3 Al final de cada ciclo se mide el desplazamiento durante un cierto periodo de tiempo, a carga constante 94

95 Medición de fluencia 95

96 Ensayo de arrancamiento de pernos en roca (ASTM 4435) Se mide la capacidad de carga de trabajo y última de la interfase perno-roca en pernos cortos pasivos El perno que se ensaya es igual a los pernos de producción Deben ensayarse 10 a 12 pernos para establecer una carga de diseño segura 96

97 Ensayo de arrancamiento de pernos en roca (ASTM 4435) La capacidad se define como la carga máxima que soporta el perno Se mide la caida de resistencia i arrancando 12.5mm luego de la carga máxima En algunos pernos se hacen etapas de carga y descarga al 25%, 50% y 75% de la carga última 97

98 Bibliografía Básica FHWA. Ground anchors and anchored systems PTI (2004). Recommendations for Prestressed Rock and Soil Anchors. Complementaria Xanthakos. Ground Anchors and Anchored Structures. t Wiley. Bowles. Foundation analysis and design. McGraw-Hill. 98