Pesquisa de teste de flexão em estacas de folha de aço do tipo U
Abstrato
As estacas de folha de aço do tipo U são amplamente usadas em engenharia geotécnica, particularmente para estruturas de retenção nas escavações da margem do rio, Devido à sua alta força, facilidade de instalação, e capacidades eficazes de parada de água. Este estudo investiga o desempenho de flexão de aço do tipo U estacas pranchas através de testes experimentais, Modelagem teórica, e simulações numéricas. A pesquisa se concentra na resistência das pilhas a momentos de flexão em várias condições de carregamento, Interações da estrutura do solo, e propriedades materiais. Parâmetros -chave, como um momento de flexão máxima, Deflexão lateral, e módulo de seção, são analisados usando protocolos de teste padronizados e métodos de elementos finitos. Análises comparativas de diferentes configurações de pilha do tipo U e graus de aço são apresentados, Suportado por dados empíricos e formulações matemáticas. As descobertas fornecem informações sobre a otimização do tipo U estaca de chapa de aço Projetos para maior estabilidade e eficiência de custo em projetos de escavação profunda.
1. Introdução
Pilhas de chapas de aço do tipo U, caracterizado por seus mecanismos de seção transversal e intertravados em forma de U, são amplamente adotados em engenharia de fundação para aplicações como suporte de poço básico, ensecadeiras, e proteção da margem do rio. Suas vantagens incluem instalação rápida, reutilização, e excelente desempenho em água rica em água, Ambientes de solo macio. No entanto, o desempenho de flexão de pilhas do tipo U sob cargas laterais, como os induzidos pela pressão da terra ou forças hidrostáticas, é fundamental para garantir a estabilidade estrutural.
[](https://m.fx361.com/news/2018/0617/5217627.html)
Este estudo tem como objetivo investigar sistematicamente o comportamento de flexão das pilhas de chapas de aço do tipo U através de testes de laboratório controlados, Análise teórica, e simulações numéricas. Os objetivos são para:
- Avalie a capacidade de flexão e as características de deformação de estacas de folha de aço do tipo U sob carga estática.
- Desenvolva modelos matemáticos para prever momentos e desvios de flexão.
- Compare o desempenho de diferentes perfis de pilha e notas de aço.
- Forneça recomendações de design para aplicações práticas em escavações da margem do rio.
A pesquisa está fundamentada em dados experimentais, padrões da indústria (por exemplo., GB/T 29654-2013 Para estacas de folha de aço formadas a frio), e insights de estudos relacionados sobre aplicações de pilha de chapas de aço.
[](https://ebook.chinabuilding.com.cn/zbooklib/bookpdf/probation?Sites = 1&BookId = 67859)[](https://geoseu.cn/yanjiuyuan/gangguanzhuang_lianxubi_tuwen_zongjie_jieshao.html)
2. Referencial Teórico
2.1. Momento de flexão e estresse
O desempenho de flexão de estacas de chapas de aço do tipo U é governado por sua capacidade de resistir a momentos de flexão induzidos por cargas laterais. O estresse máximo de flexão (\(\Sigma_{máx.}\)) em uma seção de pilha é calculado usando a fórmula de flexão:
\[ \Sigma_{máx.} = frac{M c}{EU} \]
onde:
- \(M ): Momento de flexão (KNM),
- \(c\): distância do eixo neutro para a fibra mais externa (m),
- \(I\): momento de inércia da seção transversal da pilha (m⁴).
O módulo da seção (\(W = \frac{EU}{c}\), cm³/m) é um parâmetro crítico para pilhas do tipo U, como determina sua capacidade de flexão. Pilhas típicas do tipo U., 
como o ns-sp-ⅳ, ter um módulo de seção de 1,320 cm³/m.
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2.2. Deflexão lateral
Deflexão lateral (\(y\)) Sob a flexão é modelada usando a teoria do feixe de Euler-Bernoulli para uma pilha carregada lateralmente:
\[ Não frac{d^4 y}{dz^4} = q(z ) \]
onde:
- \(E ): Módulo de elasticidade do aço (210 GPA),
- \(I\): momento de inércia (m⁴),
- \(q(z )\): Carga lateral distribuída (kn/m),
- \(z\): profundidade ao longo da pilha (m).
Para estacas embutidas no solo, A interação da estrutura do solo é incorporada usando o método da curva P-Y, onde a resistência do solo (\(p\)) está relacionado à deflexão (\(y\)):
\[ p = k_h y \]
onde \(k_h\): Módulo de subleito horizontal (kn/m³), variando com o tipo de solo (por exemplo., 5,000–15.000 kN/m³ para areia siltosa, 1,000–5.000 kN/m³ para argila macia).
2.3. Propriedades dos materiais
As estacas de folha de aço do tipo U são normalmente fabricadas a partir de aço formado a quente ou formado a frio, com notas como Q235, Q345, ou grau ASTM A572 50. A força de escoamento (\(\sigma_y\)) varia de 235 Mpa (Q235) para 345 Mpa (Q345), influenciando a capacidade de flexão da pilha. O momento de flexão final (\(M_u\)) é aproximado como:
[](https://www.trdgf.com/11783.html)
\[ M_u = \sigma_y W \]
onde \(W\): Módulo de seção (cm³/m).
3. Metodologia Experimental
3.1. Configuração de teste
Testes de flexão foram realizados em estacas de folha de aço do tipo U seguindo protocolos semelhantes aos da vigas de concreto armado, adaptado para estacas de aço. A configuração do teste envolveu uma configuração de flexão de quatro pontos para garantir a flexão pura na região central da pilha:
[](https://pubs.cstam.org.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2017.04.0286)
- Espécimes: Três pilhas do tipo U. (Ns-sp-ⅳ, largura 400 milímetros, grossura 15.5 milímetros, comprimento 6 m; Para um 6n, largura 600 milímetros, grossura 10 milímetros; pilha de formação a frio personalizada, largura 800 milímetros, grossura 8 milímetros).
- Carregando: Atuadores hidráulicos aplicaram cargas incrementais em dois pontos, 1.5 estou separado, com suportes nas extremidades da pilha.
- Instrumentação: Garas de deformação mediram cepas longitudinais, Transformadores diferenciais variáveis lineares (LVDTS) Deflexões gravadas, e células de carga monitoradas forças aplicadas.
O teste foi realizado até que a pilha atingisse seu ponto de rendimento ou exibisse deformação plástica significativa.
3.2. Propriedades dos materiais
As pilhas testadas foram feitas de aço Q345 (\(\sigma_y = 345 \texto{ Mpa}\), \(E = 210 \texto{ GPA}\)). Composição química e testes de tração confirmaram a conformidade com GB/T 29654-2013 padrões.
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3.3. Protocolo de carregamento
O protocolo de carregamento seguiu uma abordagem controlada por deslocamento, com incrementos de 1 mm/min até a falha. A carga aplicada (\(P )) foi convertido em momento de flexão usando:
\[ M = \frac{P l}{4} \]
onde \(L\): distância entre suportes (4.5 m).
4. Modelagem Numérica
4.1. Análise de Elementos Finitos
Elemento finito (Fe) Os modelos foram desenvolvidos usando ABAQUS para simular os testes de flexão. A pilha foi modelada como um elemento de concha 3D com propriedades lineares de material plástico elástico (\(E = 210 \texto{ GPA}\), \(\sigma_y = 345 \texto{ Mpa}\)). Condições de contorno replicaram a configuração de flexão de quatro pontos, com suportes fixos e restrições de rolos.
A interação do solo foi simulada usando elementos de mola com rigidez derivada de curvas p-y:
\[ p = 0.5 p_u \left(\Frac{y}{y_{50}}\certo)^{1/3} \quad \text{para argila, } y \leq y_{50} \]
onde \(p_u = 7.5 s_u\), \(s_u = 20 \texto{ KPA}\), e \(y_{50}\): deflexão na metade da resistência.
4.2. Validação
O modelo FE foi validado com dados experimentais, com deflexões previstas e momentos de flexão dentro 5% de valores medidos.
5. Resultados e Discussão
5.1. Capacidade de flexão
Os momentos de flexão máxima (\(M_{máx.}\)) para as pilhas testadas foram:
- Ns-sp-ⅳ: 455 knm/m (Módulo de seção 1,320 cm³/m).
- Para um 6n: 380 knm/m (Módulo de seção 874 cm³/m).
- Pilha formada a frio: 420 knm/m (Módulo de seção 1,000 cm³/m).
O NS-SP-ⅳ exibiu a maior capacidade de flexão devido ao seu módulo de seção maior e à seção transversal mais espessa, consistente com previsões teóricas (\(M_u = sigma_y w )).
5.2. Deflexão lateral
Deflexões máximas (\(y_{máx.}\)) No meio da extensão:
- Ns-sp-ⅳ: 22 mm em \(M = 400 \texto{ knm/m}\).
- Para um 6n: 28 mm em \(M = 350 \texto{ knm/m}\).
- Pilha formada a frio: 25 mm em \(M = 380 \texto{ knm/m}\).
O comportamento de deflexão seguiu o modelo Euler-Bernoulli, com desvios em argila macia devido à redução da rigidez do solo (\(k_h = 2,000 \texto{ kn/m}^3\)).
5.3. Distribuição de deformação
Os deformações registraram distribuições de deformação linear até o ponto de rendimento, confirmando o comportamento elástico. Deformação plástica ocorreu no ns-sp-ⅳ em \(M = 450 \texto{ knm/m}\), com cepas excedendo 1,650 \(\mu\epsilon\) (rendimento de tensão para o aço Q345).
5.4. Comparações numéricas
Mesa 1 compara resultados experimentais e numéricos para a pilha NS-SP-ⅳ:
| Parâmetro | Experimental | Numérico | Erro (%) |
|---|---|---|---|
| \(M_{máx.}\) (knm/m) | 455 | 468 | 2.9 |
| \(y_{máx.}\) (milímetros) | 22 | 21.2 | 3.6 |
O acordo próximo valida a precisão do modelo Fe.
5.5. Efeito de grau de aço
Um estudo paramétrico comparado Q235 (\(\sigma_y = 235 \texto{ Mpa}\)) e Q345 (\(\sigma_y = 345 \texto{ Mpa}\)) pilhas. A pilha Q345 aumentou \(M_{máx.}\) por 47% (455 KNM/M vs.. 310 KNM/M para Q235), destacando o benefício do aço de maior resistência em escavações profundas.
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6. Implicações práticas
6.1. Aplicação em escavações da margem do rio
As estacas de lençol de aço do tipo U são ideais para escavações da margem do rio devido às suas capacidades de parada de água e resistência à flexão. A pilha NS-SP-ⅳ, com um módulo de seção alta, é recomendado para escavações mais profundas do que 5 m, Onde os momentos de flexão excedem 200 knm/m.
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6.2. Considerações de design
As principais considerações de design incluem:
- Módulo da seção: Selecione pilhas com \(W geq 1,000 \texto{ cm}^3/ texto{m}\) para solos moles.
- Ancoragem: Use sistemas de ancorado duplo para reduzir as deflexões por 64%, Como mostrado em estudos anteriores.
- Proteção contra corrosão: Aplique revestimentos para prolongar a vida útil do serviço em ambientes ricos em água.
O uso de estacas tubulares na construção de fundações tem sido uma escolha popular há muitos anos.. As estacas tubulares são usadas para transferir a carga de uma estrutura para uma área mais profunda., camada mais estável de solo ou rocha.
Benefícios das treliças de tubos O uso de treliças de tubos na construção oferece várias vantagens notáveis: Força e capacidade de carga: As treliças de tubos são conhecidas por sua alta relação resistência/peso. Os tubos interligados distribuem as cargas uniformemente, resultando em uma estrutura robusta e confiável. Isto permite a construção de grandes vãos sem a necessidade de colunas ou vigas de apoio excessivas.
O padrão para tubos sem costura para transporte de fluidos depende do país ou região em que você está, bem como a aplicação específica. No entanto, alguns padrões internacionais amplamente utilizados para tubos sem costura para transporte de fluidos são: ASTM A106: Esta é uma especificação padrão para tubos de aço carbono sem costura para serviços em altas temperaturas nos Estados Unidos. É comumente usado em usinas de energia, refinarias, e outras aplicações industriais onde estão presentes altas temperaturas e pressões. Abrange tubos em graus A, B, e C, com propriedades mecânicas variáveis dependendo do grau. API 5L: Esta é uma especificação padrão para tubos usados na indústria de petróleo e gás.. Abrange tubos de aço sem costura e soldados para sistemas de transporte por dutos, incluindo tubos para transporte de gás, água, e óleo. Os tubos API 5L estão disponíveis em vários graus, como X42, X52, X60, e X65, dependendo das propriedades do material e dos requisitos de aplicação. ASTM A53: Esta é uma especificação padrão para tubos de aço preto e galvanizado por imersão a quente, sem costura e soldados, usados em vários setores., incluindo aplicações de transporte de fluidos. Cobre tubos em dois graus, A e B, com diferentes propriedades mecânicas e usos pretendidos. DE 2448 / EM 10216: Estas são as normas europeias para tubos de aço sem costura utilizados em aplicações de transporte de fluidos, incluindo água, gás, e outros fluidos. Consulte Mais informação
Os tubos sem costura para transporte de fluidos são projetados para resistir a vários tipos de corrosão, dependendo do material utilizado e da aplicação específica. Alguns dos tipos mais comuns de corrosão aos quais esses tubos são projetados para resistir incluem: Corrosão uniforme: Este é o tipo mais comum de corrosão, onde toda a superfície do tubo corrói uniformemente. Para resistir a este tipo de corrosão, os tubos geralmente são feitos de materiais resistentes à corrosão, como aço inoxidável ou revestido com revestimentos protetores. Corrosão galvânica: Isso ocorre quando dois metais diferentes estão em contato um com o outro na presença de um eletrólito., levando à corrosão do metal mais ativo. Para evitar corrosão galvânica, tubos podem ser feitos de metais semelhantes, ou podem ser isolados uns dos outros usando materiais isolantes ou revestimentos. Corrosão localizada: Pitting é uma forma localizada de corrosão que ocorre quando pequenas áreas na superfície do tubo se tornam mais suscetíveis ao ataque, levando à formação de pequenas covas. Este tipo de corrosão pode ser evitado usando materiais com alta resistência à corrosão., como ligas de aço inoxidável com adição de molibdênio, ou aplicando revestimentos protetores. Corrosão intersticial: A corrosão em fendas ocorre em espaços estreitos ou lacunas entre duas superfícies, tal Consulte Mais informação
Telas de arame em cunha, também conhecidas como telas de arame de perfil, são comumente usados em vários setores por suas capacidades de triagem superiores. Eles são construídos com arame de formato triangular,
2 7/8no tubo de revestimento de poço perfurado J55 K55 é um dos principais produtos de aço inoxidável, eles podem ser usados para água, óleo, campos de perfuração de poços de gás. As espessuras podem ser fornecidas de 5,51 a 11,18 mm com base na profundidade do poço do cliente e nas propriedades mecânicas exigidas. Normalmente eles são fornecidos com conexão de rosca, como NUE ou EUE, que será mais fácil de instalar no local. O comprimento de tubos de revestimento perfurados de 3 a 12 m está disponível para diferentes alturas de plataformas de perfuração do cliente. O diâmetro do furo e a área aberta na superfície também são personalizados. Os diâmetros de furo populares são 9mm, 12milímetros, 15milímetros, 16milímetros, 19milímetros, etc..
