Publicación: Seismic design of sheet piles: economic benefits of advanced design methods
Para mejorar aún más la eficiencia del diseño y del proyecto de las soluciones de tablestacas en áreas con alto riesgo sísmico, la publicación “Seismic design of sheet piles - Economic benefits of advanced design methods” (Diseño sísmico de tablestacas - Beneficios económicos de los métodos de diseño avanzados) presenta métodos de diseño innovadores para condiciones de carga dinámicas extremas en puertos y vías fluviales, y otros ámbitos de infraestructuras.
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Enfoques de diseño económicos y seguros para estructuras de tablestacas de acero en zonas con alto riesgo sísmico
Ampliamente utilizadas para la construcción de una variedad de estructuras tales como muelles y rompeolas en puertos, refuerzos de riberas en ríos y canales, pasos subterráneos, así como en sistemas de protección contra riesgos globales, las tablestacas han demostrado su eficiencia bajo cargas sísmicas en muchos países de todo el mundo.
Chile, el país que sufrió los terremotos más fuertes según los registros históricos, proporciona el ejemplo perfecto: Mientras que sus puertos de hormigón fueron severamente dañados, el Puerto de Mejillones, construido en 2003 utilizando la pantalla combinada HZ / AZ para el muelle y tablestacas planas AS 500 para el rompeolas, no sufrieron daños durante muchos terremotos fuertes con magnitudes de hasta 7.7. Por eso se considera un ejemplo perfecto de la eficacia de las estructuras de tablestacas flexibles en condiciones sísmicas extremas.
Sin embargo, algunos diseñadores siguen teniendo cierta reticencia a utilizar tablestacas en áreas sísmicas. Esta preocupación puede proceder de su experiencia con los métodos de diseño convencionales que no favorecen los muros flexibles en condiciones sísmicas. Estos métodos de diseño suelen formar parte de cálculos seudoestáticos que utilizan la teoría de Mononobe-Okabe (1931).
Los estudios numéricos y los experimentos físicos (pruebas de centrifugado) han demostrado que estos métodos convencionales de diseño sobreestiman las cargas en los muros de contención, especialmente en el caso de los muros flexibles. Aunque la norma EN 1998-5 permite una reducción de la acción sísmica en función de los desplazamientos aceptables (factor de reducción “r”), esto solo se aplica a muros de gravedad y no a muros anclados como los de tablestacas, a pesar de su ductilidad inherente.
Hoy en día, las potentes herramientas de diseño que utilizan el modelo de elementos finitos (Finite Element Modeling - FEM) permiten cálculos dinámicos que pueden predecir con precisión el comportamiento de los muros de contención sometidos a diferentes cargas sísmicas, incluidas las fuerzas internas, deformaciones, aumento de las presiones por agua intersticial y modos esperados de falla.
Ahorros en coste de material gracias a métodos de diseño dinámicas
Un proyecto de investigación liderado por ArcelorMittal I+D y un estudio realizado por la empresa de ingeniería SENER, una consultora líder mundial en el ámbito de aplicaciones marítimas, han demostrado un potencial de optimización sustancial cuando se utilizan estos métodos de diseño avanzados. Para este estudio, se analizó un amplio espectro de casos prácticos (4 profundidades de agua, 4 aceleraciones sísmicas, 2 condiciones de suelo), comparando el método seudoestático convencional basado en la norma EN 1998-5 utilizando un software de reacción de subrasante elastoplástica, y el método avanzado completamente dinámico que utiliza un software FEM.
Todos los casos estudiados mostraron un potencial de optimización sustancial al utilizar el diseño FEM. Los momentos flectores en el diseño seudoestático son entre un 40% y un 126% más altos que en el diseño FEM. Al considerar los respectivos perfiles de tablestacas, esto podría resultar en un ahorro de hasta un 50% en el coste del material utilizando los métodos avanzados de diseño sísmico.
Considerando adecuadamente las cargas hidrodinámicas para ahorros de material adicionales
Las cargas hidrodinámicas se consideran normalmente como seudoestáticas y se calculan de acuerdo con norma EN 1998-5 utilizando la fórmula de Westergaard como una carga permanente del agua durante toda la duración del terremoto. SENER utilizó FEM y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para calcular el impacto de las cargas hidrodinámicas en un muro de tablestacas durante la acción sísmica, considerando las interacciones suelo-fluido bajo análisis dinámico.
El uso de la fórmula tradicional de Westergaard en la norma EN 1998-5 coincide con las cargas hidrodinámicas obtenidas por CFD en un momento determinado durante el terremoto. Sin embargo, como Westergaard considera que se trata de cargas permanentes durante todo el terremoto, es evidente una sobreestimación de su efecto.
Los cálculos FEM realizados con Plaxis 2D compararon los resultados obtenidos al utilizar la carga tradicional de Westergaard con los obtenidos al utilizar una carga variable más real dependiente del tiempo (mediante una carga dinámica o mediante masas añadidas). Los resultados mostraron un aumento del 24,5% en el momento flector (con respecto a los efectos de la acción puramente sísmica) cuando se usa la carga Westergaard tradicional en comparación con el 4% cuando se usa la carga instantánea. En este caso de estudio, considerar una carga hidrodinámica más real se tradujo en un ahorro de coste de material del 14% al considerar las secciones de tablestacas correspondientes.
Texto:
ArcelorMittal Sheet Piling
Constructalia
Imágenes:
ArcelorMittal Sheet Piling
Puerto Angamos