Investigación de prueba de flexión sobre montones de láminas de acero de tipo U
Abstracto
Las montones de láminas de acero de tipo U se utilizan ampliamente en ingeniería geotécnica, particularmente para las estructuras de retención en excavaciones de ribera, Debido a su alta fuerza, facilidad de instalación, y capacidades efectivas de detección de agua. Este estudio investiga el rendimiento de flexión del acero de tipo U Tablestacas a través de pruebas experimentales, modelado teórico, y simulaciones numéricas. La investigación se centra en la resistencia de las pilas a los momentos de flexión en varias condiciones de carga, interacciones de estructura del suelo, y propiedades del material. Parámetros clave, como el momento máximo de flexión, desviación lateral, y módulo de sección, se analizan utilizando protocolos de prueba estandarizados y métodos de elementos finitos. Se presentan análisis comparativos de diferentes configuraciones de pilotes de tipo U y grados de acero, respaldado por datos empíricos y formulaciones matemáticas. Los hallazgos proporcionan información sobre la optimización de U-Type pilote de chapa de acero diseños para una mayor estabilidad y rentabilidad en proyectos de excavación profunda.
1. Introducción
Montones de acero de tipo U, caracterizado por sus mecanismos transversales en forma de U y entrelazamiento, se adoptan ampliamente en la ingeniería fundamental para aplicaciones como el soporte de pozo base, ataguías, y protección de la orilla del río. Sus ventajas incluyen una instalación rápida, reutilización, y excelente rendimiento en rico en agua, ambientes de suelo blando. Sin embargo, El rendimiento de flexión de las pilas de tipo U bajo cargas laterales, como los inducidos por la presión de la tierra o las fuerzas hidrostáticas, es crítico para garantizar la estabilidad estructural.
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Este estudio tiene como objetivo investigar sistemáticamente el comportamiento de flexión de las pilas de láminas de acero de tipo U a través de pruebas de laboratorio controladas, análisis teórico, y simulaciones numéricas. Los objetivos son:
- Evaluar la capacidad de flexión y las características de deformación de las hojas de acero de tipo U bajo carga estática.
- Desarrollar modelos matemáticos para predecir momentos de flexión y desviaciones.
- Compare el rendimiento de diferentes perfiles de pilotes y grados de acero.
- Proporcionar recomendaciones de diseño para aplicaciones prácticas en excavaciones de río río.
La investigación se basa en datos experimentales, Normas de la industria (p.ej., GB/T 29654-2013 Para montones de láminas de acero formadas por frío), y ideas de estudios relacionados sobre aplicaciones de chapa de acero.
[](https://ebook.chinabuilding.com.cn/zbooklib/bookpdf/probation?Sitios = 1&bookid = 67859)[](https://geoseu.cn/yanjiuyuan/gangguanzhuang_lianxubi_tuwen_zongjie_jieshao.html)
2. Marco teórico
2.1. Momento de flexión y estrés
El rendimiento de flexión de las hojas de acero de tipo U se rige por su capacidad para resistir los momentos de flexión inducidos por cargas laterales. La tensión de flexión máxima (\(\sigma_{máximo}\)) En una sección de pila se calcula utilizando la fórmula de flexión:
\[ \sigma_{máximo} = frac{M C}{I} \]
dónde:
- \(METRO): Momento de flexión (Knm),
- \(c\): Distancia desde el eje neutro a la fibra más externa (m),
- \(I\): Momento de inercia de la sección transversal de la pila (m⁴).
El módulo de sección (\(W = \frac{I}{C}\), cm³/m) es un parámetro crítico para pilas de tipo U, Como determina su capacidad de flexión. Pilas típicas de tipo U, 
como el NS-SP-ⅳ, tener un módulo de sección de 1,320 cm³/m.
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2.2. Desviación lateral
Desviación lateral (\(y\)) debajo de la flexión se modela utilizando la teoría del haz Euler-Bernoulli para una pila cargada lateralmente:
\[ No frac{D^4 Y}{dz^4} = Q(z ) \]
dónde:
- \(MI): Módulo de elasticidad del acero (210 GPA),
- \(I\): Momento de inercia (m⁴),
- \(Q(z )\): carga lateral distribuida (KN/M),
- \(z ): profundidad a lo largo de la pila (m).
Para pilas incrustadas en el suelo, La interacción de la estructura del suelo se incorpora utilizando el método de la curva P-Y, donde la resistencia al suelo (\(p\)) está relacionado con la desviación (\(y\)):
\[ p = k_h y \]
dónde \(k_h\): módulo de subgrade horizontal (KN/M³), variando con el tipo de suelo (p.ej., 5,000–15,000 kN/m³ para arena limosa, 1,000–5,000 kN/m³ para arcilla suave).
2.3. Propiedades materiales
Las pilas de acero de tipo U generalmente se fabrican con acero en caliente o formado por frío, con calificaciones como Q235, Q345, o grado ASTM A572 50. La fuerza de rendimiento (\(\sigma_y\)) rangos de 235 MPa (Q235) a 345 MPa (Q345), influir en la capacidad de flexión de la pila. El último momento de flexión (\(M_u\)) se aproxima como:
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\[ M_u = \sigma_y W \]
dónde \(W\): módulo de sección (cm³/m).
3. Metodología experimental
3.1. Configuración de prueba
Las pruebas de flexión se realizaron en láminas de acero de tipo U después de protocolos similares a los de las vigas de concreto reforzadas, adaptado para pilotes de acero. La configuración de la prueba implicó una configuración de flexión de cuatro puntos para garantizar la flexión pura en la región central de la pila:
[](https://pubs.cstam.org.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2017.04.0286)
- Especímenes: Tres pilas de tipo U (NS-SP-ⅳ, ancho 400 milímetros, espesor 15.5 milímetros, longitud 6 m; A un 6n, ancho 600 milímetros, espesor 10 milímetros; pila personalizada formada por frío, ancho 800 milímetros, espesor 8 milímetros).
- Cargando: Los actuadores hidráulicos aplicaron cargas incrementales en dos puntos, 1.5 m aparte, con soportes en los extremos de la pila.
- Instrumentación: Los medidores de tensión midieron cepas longitudinales, Transformadores diferenciales de variables lineales (Lvdts) desviaciones grabadas, y celdas de carga monitoreadas fuerzas aplicadas.
La prueba se realizó hasta que la pila alcanzó su punto de rendimiento o exhibió una deformación plástica significativa.
3.2. Propiedades materiales
Las pilas probadas estaban hechas de acero Q345 (\(\Sigma_y = 345 \texto{ MPa}\), \(E = 210 \texto{ GPA}\)). Composición química y pruebas de tracción confirmaron el cumplimiento de GB/T 29654-2013 estándares.
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3.3. Protocolo de carga
El protocolo de carga siguió un enfoque controlado por desplazamiento, con incrementos de 1 mm/min hasta la falla. La carga aplicada (\(PAGS)) se convirtió en momento de flexión usando:
\[ M = \frac{P l}{4} \]
dónde \(L\): Distancia entre soportes (4.5 m).
4. Modelado Numérico
4.1. Análisis de elementos finitos
Elemento finito (Ceñudo) Los modelos se desarrollaron utilizando ABAQUS para simular las pruebas de flexión. La pila se modeló como un elemento de carcasa 3D con propiedades lineales de material elástico-plástico (\(E = 210 \texto{ GPA}\), \(\Sigma_y = 345 \texto{ MPa}\)). Las condiciones de contorno replicaron la configuración de flexión de cuatro puntos, con soportes fijados y restricciones de rodillos.
La interacción del suelo se simuló utilizando elementos de primavera con rigidez derivada de curvas P-y:
\[ P = 0.5 p_u izquierda(\FRAC{Y}{Y_{50}}\bien)^{1/3} \Quad Texto{para arcilla, } y \leq y_{50} \]
dónde \(p_u = 7.5 S_U ), \(s_u = 20 \texto{ KPA}\), y \(Y_{50}\): desviación a la mitad de la resistencia final.
4.2. Validación
El modelo FE fue validado contra datos experimentales, con deflexiones predichas y momentos de flexión dentro 5% de valores medidos.
5. Resultados y Discusión
5.1. Capacidad de flexión
Los momentos de flexión máximos (\(METRO_{máximo}\)) para las pilas probadas fueron:
- NS-SP-ⅳ: 455 KNM/M (módulo de sección 1,320 cm³/m).
- A un 6n: 380 KNM/M (módulo de sección 874 cm³/m).
- Pila formada por frío: 420 KNM/M (módulo de sección 1,000 cm³/m).
El NS-SP-ⅳ exhibió la capacidad de flexión más alta debido a su módulo de sección más grande y una sección transversal más gruesa, consistente con las predicciones teóricas (\(M_u = sigma_y w )).
5.2. Desviación lateral
Desviaciones máximas (\(Y_{máximo}\)) a mediados de los ámbitos estaban:
- NS-SP-ⅳ: 22 mm a \(M = 400 \texto{ KNM/M}\).
- A un 6n: 28 mm a \(M = 350 \texto{ KNM/M}\).
- Pila formada por frío: 25 mm a \(M = 380 \texto{ KNM/M}\).
El comportamiento de deflexión siguió al modelo Euler-Bernoulli, con desviaciones en arcilla blanda debido a la reducción de la rigidez del suelo (\(k_h = 2,000 \texto{ KN/M}^3\)).
5.3. Distribución de tensión
Los medidores de tensión registraron distribuciones lineales de deformación hasta el punto de rendimiento, Confirmando el comportamiento elástico. La deformación plástica ocurrió en el NS-SP-ⅳ \(M = 450 \texto{ KNM/M}\), con cepas superiores 1,650 \(\mu\epsilon\) (cepa de rendimiento para acero Q345).
5.4. Comparaciones numéricas
Mesa 1 compara resultados experimentales y numéricos para la pila NS-SP-ⅳ:
| Parámetro | Experimental | Numérico | Error (%) |
|---|---|---|---|
| \(METRO_{máximo}\) (KNM/M) | 455 | 468 | 2.9 |
| \(Y_{máximo}\) (milímetros) | 22 | 21.2 | 3.6 |
El acuerdo cercano valida la precisión del modelo FE.
5.5. Efecto del grado de acero
Un estudio paramétrico comparado Q235 (\(\Sigma_y = 235 \texto{ MPa}\)) y Q345 (\(\Sigma_y = 345 \texto{ MPa}\)) pila de algo. La pila Q345 aumentó \(METRO_{máximo}\) por 47% (455 KNM/M VS. 310 KNM/M para Q235), destacando el beneficio del acero de mayor resistencia en excavaciones profundas.
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6. Implicaciones prácticas
6.1. Aplicación en excavaciones de la orilla del río
Las pilas de láminas de acero de tipo U son ideales para las excavaciones de la orilla del río debido a sus capacidades de parto de agua y resistencia a la flexión. La pila NS-SP-ⅳ, con un módulo de sección alta, se recomienda para excavaciones más profundas que 5 m, donde superan los momentos de flexión 200 KNM/M.
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6.2. Consideraciones de diseño
Las consideraciones de diseño clave incluyen:
- Módulo de sección: Seleccione Milas con \(W geq 1,000 \texto{ cm}^3/ texto{m}\) Para suelos blandos.
- Ancla: Use sistemas de doble anclaje para reducir las desviaciones por 64%, Como se muestra en estudios anteriores.
- Protección contra la corrosión: Aplicar recubrimientos para extender la vida útil en entornos ricos en agua.
El uso de pilotes tubulares en la construcción de cimientos ha sido una opción popular durante muchos años.. Los pilotes tubulares se utilizan para transferir la carga de una estructura a un lugar más profundo., capa más estable de suelo o roca.
Beneficios de las armaduras de tuberías El uso de armaduras de tuberías en la construcción ofrece varias ventajas notables: Resistencia y capacidad de carga: Las armaduras de tuberías son reconocidas por su alta relación resistencia-peso.. Los tubos interconectados distribuyen las cargas uniformemente., dando como resultado una estructura robusta y confiable. Esto permite la construcción de grandes luces sin la necesidad de excesivas columnas o vigas de soporte..
El estándar para tuberías sin costura para el transporte de fluidos depende del país o región en el que se encuentre., así como la aplicación específica. Sin embargo, Algunas normas internacionales ampliamente utilizadas para tuberías sin costura para el transporte de fluidos son: ASTM A106: Esta es una especificación estándar para tubos de acero al carbono sin costura para servicio de alta temperatura en los Estados Unidos.. Se utiliza comúnmente en plantas de energía., refinerías, y otras aplicaciones industriales donde están presentes altas temperaturas y presiones. Cubre tuberías en grados A., B, y C, con propiedades mecánicas variables según el grado. API 5L: Esta es una especificación estándar para tuberías utilizadas en la industria del petróleo y el gas.. Cubre tubos de acero soldados y sin costura para sistemas de transporte por tuberías., incluyendo tuberías para transportar gas, agua, y aceite. Las tuberías API 5L están disponibles en varios grados., como X42, X52, X60, y X65, dependiendo de las propiedades del material y los requisitos de aplicación. ASTM A53: Esta es una especificación estándar para tubos de acero galvanizados en caliente y negros sin costura y soldados utilizados en diversas industrias., incluidas aplicaciones de transporte de fluidos. Cubre tuberías en dos grados., A y B, con diferentes propiedades mecánicas y usos previstos. DE 2448 / EN 10216: Estas son las normas europeas para tubos de acero sin costura utilizados en aplicaciones de transporte de fluidos., incluyendo agua, gas, y otros fluidos. Leer más
Las tuberías sin costura para el transporte de fluidos están diseñadas para resistir varios tipos de corrosión según el material utilizado y la aplicación específica.. Algunos de los tipos más comunes de corrosión que estas tuberías están diseñadas para resistir incluyen: Corrosión uniforme: Este es el tipo de corrosión más común., donde toda la superficie de la tubería se corroe uniformemente. Para resistir este tipo de corrosión, Las tuberías suelen estar hechas de materiales resistentes a la corrosión., como acero inoxidable o revestidos con revestimientos protectores. Corrosión galvánica: Esto ocurre cuando dos metales diferentes están en contacto entre sí en presencia de un electrolito., lo que lleva a la corrosión del metal más activo. Para prevenir la corrosión galvánica, Las tuberías pueden estar hechas de metales similares., o pueden aislarse entre sí mediante materiales o revestimientos aislantes. Corrosión por picadura: Las picaduras son una forma localizada de corrosión que ocurre cuando áreas pequeñas en la superficie de la tubería se vuelven más susceptibles al ataque., conduciendo a la formación de pequeños hoyos. Este tipo de corrosión se puede prevenir utilizando materiales con alta resistencia a las picaduras., como aleaciones de acero inoxidable con molibdeno añadido, o aplicando recubrimientos protectores. Corrosión por grietas: La corrosión por grietas ocurre en espacios estrechos o espacios entre dos superficies., semejante Leer más
Cribas de alambre tipo cuña, también conocido como pantallas de alambre de perfil, Se utilizan comúnmente en diversas industrias por sus capacidades de detección superiores.. Están construidos con alambre de forma triangular.,
2 7/8En J55 K55, la tubería de revestimiento de pozo perforado es uno de los principales productos de acero que fabricamos., se pueden usar para agua, aceite, campos de perforación de pozos de gas. Los espesores se pueden suministrar desde 5,51 a 11,18 mm según la profundidad del pozo del cliente y las propiedades mecánicas requeridas.. Normalmente están provistos de conexión roscada., como NUE o EUE, que será más fácil de instalar en el sitio. La longitud de los tubos de revestimiento perforados de 3 a 12 m está disponible para las diferentes alturas de las plataformas de perforación del cliente.. El diámetro del orificio y el área abierta en la superficie también se personalizan. Los diámetros de agujero más populares son 9 mm., 12milímetros, 15milímetros, 16milímetros, 19milímetros, etc..
