ANALIZA AVANSATĂ A STRUCTURII TOWER CENTER INTERNATIONAL DIN BUCUREŞTI

Florea Dinu1,2, Aurel Stratan1, Dan Dubină1,2

Rezumat Lucrarea prezintă pe scurt proiectul unei clădiri cu structură metalică amplasată în Bucureşti şi având 26 de etaje. Clădirea prezintă câteva particularităţi legate în special de conformarea antiseismică. În acest scop, folosirea unui sistem dual alcătuit din cadre contravântuite şi cadre necontravântuite a permis obţinerea unor caracteristici adecvate de rigiditate şi ductilitate. Înglobarea parţială a stâlpilor în beton a condus la obţinerea unei rezistenţe sporite la foc dar şi la creşterea rezistenţei şi rigidităţii acestora. 1. Introducere Obiectul proiectului "Tower Center International" îl constituie un corp de clădire având destinaţia de birouri. Structura este amplasată în Bucureşti si are un regim de înălţime de 3S+P+22E+3Etehn. La bază, clădirea are o dimensiune în plan de 42,0x24,8 m. Cota la nivelul superior al etajului 22 este +94,3 m, iar la nivelul ultimului etaj tehnic +106,3 m.

Figura 1. Vedere de ansamblu

1 Universitatea „Politehnica” din Timişoara, Facultatea de Construcţii, Departamentul de CMMC 2 Academia Română, Filiala Timişoara, Centrul de Cercetări Tehnice Fundamentale şi Avansate, Laboratorul de CM

21

În etapa a doua a investiţiei, adiacent clădirii turn, se va construi o clădire 4S+P+3E. Principalele date referitoare la structură şi la echipa care a contribuit la realizarea ei sunt prezentate in Tabel 1.

Tabel 1. Principalele date referitoare la obiectivul TCI Bucureşti Nume clădire Tower Center International Investitor Tower Center International SRL Destinaţie Clădire birouri Dimensiuni în plan 24,8m x 42,0m Deschidere 7,5m Travee 7,5m Înălţime nivel 4,0m Înălţime totală 106,3m Structura Cadre metalice, planşee beton armat Arhitect Westfourth Architecture, P.C. Proiectant structură metalică SC BRITT SRL Timişoara

Prof. Dan Dubina Florea Dinu, Aurel Stratan, Adrian Ciutina

Producător şi montaj structură metalică UNGER Stahlbau ES.M.B.H

Proiectare infrastructură Popp & Asociaţii SRL Montaj structura metalică martie – noiembrie 2006 Inaugurare oficială 2007

La realizarea lucrării au mai colaborat: Emanuel E. Necula PC pentru proiectul tehnic al infrastructurii, S.C. Topo-Cad Proiect SRL, pentru releveul topo al infrastructurii existente la cota -3.20, UTCB – Catedra de Hidraulică şi Protecţia Mediului, Laboratorul de Aerodinamică şi Ingineria Vântului, pentru studiul în tunelul de vânt. 2. Conformarea structurii Conformarea de ansamblu a trebuit să ţină seama de faptul că infrastructura era deja realizată la data întocmirii proiectului tehnic al suprastructurii metalice, această situaţie impunând poziţia contravântuirilor verticale. Conformarea structurii trebuia să asigure rigidităţi similare cu cele luate în calcul la proiectarea infrastructurii. Structura aleasă este de tip cadru multietajat dual fiind alcătuită din cadre necontravântuite rigide şi cadre contravântuite centric. Pentru sporirea rigidităţii la forţele orizontale, în special din acţiunea vântului, pe lângă contravântuirile verticale dispuse pe toată înălţimea structurii, au fost prevăzute două centuri de contravântuiri dispuse perimetral, la mijlocul înălţimii şi la ultimul nivel. Stâlpii au secţiunea sub forma de "cruce de Malta" şi sunt realizaţi din profile laminate. Această secţiune a permis obţinerea unei bune rigidităţi cu un consum relativ redus de oţel, precum şi simplificarea îmbinărilor riglă-stâlp. În zona cadrelor necontravântuite, stâlpii au dimensiunea curenta la baza de 800x800mm. Prin înglobarea parţială în beton, cu armături şi conectori în zona nodurilor, se realizează o secţiune mixtă, care asigură atât creşterea capacităţii portante cât şi a

22

rigidităţii. Secţiunea stâlpilor variază pe înălţime astfel: primul tronson de jos este realizat din 2 profile HEM800, tronsonul intermediar din 2 profile HEB800 iar tronsonul superior din 2 profile HEA800. În zonele contravântuite în X, stâlpii sunt dezvoltaţi după direcţia contravântuirilor şi au dimensiunea curentă la bază de 1000x500mm. Secţiunea stâlpilor variază pe înălţime astfel: tronsonul inferior este realizat dintr-un profil HEB1000 şi un profil HEM500, iar tronsonul superior dintr-un profil HEB1000 şi un profil HEB500.

Plan etaj curent

Cadru ax 2 Cadru ax 3 Cadru ax D Cadru ax B

Figura 2. Secţiuni caracteristice structură TCI Grinzile principale de cadru şi cele secundare de planşeu sunt realizate din profile laminate. Conectorii dispuşi pe grinzi au rolul de a împiedica flambajul prin încovoiere-răsucire, în cazul grinzilor principale şi asigurarea conlucrării cu planşeul de beton armat, în cazul grinzilor secundare.

a) b) c)

Figura 3. Secţiuni folosite pentru elemente: a) stâlpi în zona necontravântuită; b) stâlpi în zona contravântuită; c) grinzi principale şi secundare

23

Figura 4. Detaliu

Contravântuirile centrice verticale sunt de două tipuri, în X şi în V inversat şi sunt realizate din profile laminate a căror secţiune variază pe înălţime, de la HEM450 la HEB400 pentru contravântuirile în V întors şi de la HEB450 la HEB360 pentru contravântuirile în X. S-a optat pentru contravântuiri în V inversat datorită capacităţii de a asigura o rigiditate sporită a sistemului, ceea ce constituie o cerinţă esenţială în acest caz, atât pentru acţiunea seismului, cât şi a vântului. Pentru a reduce nivelul de solicitare în elementele adiacente, contravântuirile sunt realizate dintr-un oţel mai slab faţă de celelalte elemente (OL37 faţă de OL52). Planşeele au fost realizate dintr-o placă de beton cu grosimea de 12 cm rezemată pe grinzi secundare. 3. Calculul şi proiectarea structurii metalice Calculul static şi dinamic s-a realizat printr-un calcul spaţial cu ajutorul programului de calcul ETABS. Pentru dimensionarea structurii de rezistenţă s-au utilizat prevederile din normele romaneşti de calcul în vigoare la data proiectării structurii (STAS 10108/0-78, P100/92), dar şi noul normativ P100/2006. În plus, pentru situaţiile în care nu există prevederi de calcul în normele romaneşti, au fost folosite prevederi din alte norme, îndeosebi cele europene (EN 1993-1.8, EN1994-1). Dimensionarea s-a făcut pe baza înfăşurătorii cerinţelor maxime exprimate în cele două normative de calcul seismic, P100/92 şi P100/2006. Datorită încadrării structurii în cerinţele de regularitate, s-a folosit metoda de proiectare curentă bazată pe calculul modal cu spectre de răspuns. Pentru verificarea mecanismului plastic şi a performanţei structurale folosite la proiectarea structurii, s-a realizat o analiză dinamică neliniară incrementală. Stâlpii au fost realizaţi continuu pe înălţimea a două etaje, îmbinările de continuitate realizându-se cu şuruburi şi eclise pe inimi şi tălpi, în secţiuni amplasate la 1/3 din înălţimea nivelului. Pentru asigurarea formării articulaţiilor plastice în grinzile cadrelor necontravântuite, îmbinărilor grindă-stâlp cu placă de capăt şi şuruburi li s-a asigurat o suprarezistenţă faţă de elementul îmbinat. Suprarezistenţa rezultată din calcul nu a putut fi însă asigurată decât prin realizarea unor vute la cele două extremităţi ale grinzilor (Figura 5d). Grinzile aflate la intersecţia contravântuirilor în V inversat au fost dimensionate la eforturile neechilibrate aplicate grinzii de către contravântuiri, după flambajul diagonalei comprimate, în conformitate cu prevederile din P100-2006. Prinderile contravântuirilor în V s-au realizat cu şuruburi şi eclise pe inimă şi tălpi. Pentru asigurarea unei rezistenţe suficiente, grinzile au fost calculate şi alcătuite în variantă mixtă oţel-beton. Întrucât proiectarea stâlpilor, în cazul cadrelor

24

necontravântuite, respectiv a stâlpilor şi grinzilor în cazul celor contravântuite centric, se face pe baza eforturilor majorate cu factorul Ω , este recomandabil să se obţină valori cât mai reduse ale acestui factor. Pentru cadrele necontravântuite, reducerea factorului Ω s-a obţinut prin reducerea suprarezistenţei grinzilor. În cazul cadrelor contravântuite, având în vedere faptul că sistemul de contravântuiri are şi rol în preluarea sarcinilor orizontale din vânt, reducerea factorului Ω este în cele mai multe cazuri destul de greu de îndeplinit. Soluţia adoptata în cazul clădirii TCI a constat în utilizarea unui oţel cu limita de curgere mai redusă în contravântuiri (conducând astfel la reducerea factorului NΩ pentru sistemul de contravântuiri, dar nu şi a rigidităţii acestuia).

a) b) c) Figura 5. Detalii de îmbinări: a) îmbinare de continuitate stâlpi; b) îmbinare grindă-stâlp la cadre

necontravântuite; c) îmbinare contravântuire în V – grindă Pentru verificarea mecanismului plastic şi a performanţei structurale folosite la proiectarea structurii, s-a realizat o analiză dinamică neliniară incrementală. Pentru analiza s-a folosit înregistrarea mişcării seismice Vrancea 1977: Vrancea, 4 martie 1977, INCERC Bucureşti, componenta N-S. În Figura 6 este prezentată accelerograma şi spectrul de răspuns al acceleraţiei pentru înregistrarea seismică.

a)0 5 10 15 20 25

-2

-1

0

1

2

-1.95

timp, s

acce

lera

tie, m

/s2

Vrancea, 04.03.1977, INCERC (B), NS

(b)0 1 2 3 4

0

2

4

6

8

Perioada, s

Acce

lera

tia s

pect

rala

, m/s

2

Vrancea, 04.03.1977, INCERC (B), NS

Figura 6. Accelerograma (a) şi spectrul de răspuns al acceleraţiei (b) pentru înregistrarea seismică

folosită in analiza

25

Analiza dinamică neliniară s-a realizat cu programul ETABS, versiunea 9. Comportarea inelastică a materialului a fost modelată prin articulaţii plastice, care au fost introduse în secţiunile plastice potenţiale ale elementelor. Utilizarea acestui program permite modelarea articulaţiilor plastice din moment, forţa tăietoare şi forţa axială. În plus, se pot modela şi articulaţii plastice produse de interacţiunea moment-forţă axială. Neliniaritatea geometrică la nivel global a fost luată în calcul prin considerarea efectului P-∆. Analiza dinamică neliniară incrementală a înregistrat apariţia primelor articulaţii plastice şi evoluţia acestora, punând în evidenţă contribuţia cadrelor contravântuite şi necontravântuite la disiparea energiei seismice induse în structură. În Figura 7 se prezintă distribuţia articulaţiilor plastice în cadru transversal curent pentru diferite nivele ale acceleraţiei (valoarea seismului de calcul, corespunzător SLU, ag = 0,24g).

a

Verificarea stnorma europeGeneral rulesstructurale alfinite SAFIR"Normativul TOWER CECalculul stâlp- în prima

(utilizândNPO46/2

- în etapa aîncărcăriltermic, sevaloarea t

g = 0,08g ag = 0,12g ag = 0,16g ag = 0,20g ag = 0,24g ag = 0,32g

Cadru Ax 2 Cadru Ax3

Figura 7. Distribuţia articulaţiilor plastice

âlpilor cu secţiune mixtă la acţiunea focului s-a făcut cu metoda generală de calcul din ană Eurocode 4: "Design of Composite Steel and Concrete Structures – Part 1.2: – Structural Fire Design" şi de "Normativ pentru verificarea la foc a elementelor e construcţiilor din oţel - NP046/2000. Verificarea s-a făcut cu programul cu elemente . Prin încadrarea construcţiei în gradul I de rezistenţa la foc, în conformitate cu de siguranţa la foc a construcţiilor – P118–99", s-a impus pentru stâlpii structurii NTER INTERNATIONAL un timp de rezistenţă la foc de 2½ ore (150 minute). ului cu secţiune mixtă s-a condus în două etape: etapă s-a determinat evoluţia temperaturii pe secţiunea transversală a elementelor curba de foc standardizată ISO834, în conformitate cu prEN 1991-1-2 şi 000); doua s-a stabilit răspunsul elementului structural sub acţiunea încărcărilor termice şi a or statice maxime, corespunzătoare grupării speciale de incendiu. În urma calculului obţine distribuţia temperaturilor pe secţiunea transversală. În Figura 9 se arată

emperaturilor după 2½ ore de foc ISO (9000sec).

60 170 540 170 6060 17060 170 540 170 60540 170 60

Figura 8. Discretizarea secţiunii transversale a stâlpului

26

Figura 9. Distribuţia temperaturilor pe secţiunea transversala după 2½ ore de foc ISO

4. Clădirea în faza de montaj şi în fază finală

Figura 10. Aspecte din timpul montajului structurii metalice

27

Figura 11. Vederi de ansamblu ale clădirii în faza finală

5. Concluzii În lucrare se prezintă proiectul unei clădiri multietajate cu structura metalică amplasată în Bucureşti. Clădirea are 26 de etaj şi este pentru moment cea mai înaltă clădire din Bucureşti. Sistemul structural format din cadre duale (cadre necontravântuite cu noduri rigide şi cadre contravântuite centric) şi contravântuiri perimetrale dispuse la nivelele 12 şi 22 asigură o comportare eficientă la preluarea sarcinilor orizontale. Analiza dinamică neliniară a arătat o comportare seismică favorabilă a sistemului structural format din cadre duale. Cerinţa de ductilitate în elementele disipative are o distribuţie relativ uniformă pe înălţime, indicând un mecanism plastic global, fără plasticizări în elementele nedisipative (stâlpi, grinzi aferente cadrelor contravântuite). Montajul structurii s-a desfăşurat în perioada martie – noiembrie 2006. Inaugurarea oficială a clădirii este programată pentru anul 2007.

28