Conformarea ş seismice a structurilor meta Conformarea şi ...

UNIVERSITATEA TEHNIC

Facultatea de Construc

TEZ

Conformarea ş

seismice a structurilor metalice cu disipatori

Doctorand ing. ROŞU P. Loredana Elena

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCURE

de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole

TEZĂ DE DOCTORAT

Conformarea şi comportarea la acţ


de energie

Loredana Elena

Conducător de doctorat prof.univ.dr.ing. Adrian-Şerban DIMA

BUCUREŞTI 2013

II BUCUREȘTI

şi Agricole

i comportarea la acţiuni


tor de doctorat Şerban DIMA

UNIVERSITATEA TEHNIC

Facultatea de Construc

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioad

universitare de doctorat de burs

doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”

POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane,

Europene, din Bugetul Naţional

Construcții București.

TEZĂ

Conformarea ş

seismice a structurilor metalice cu

disipatori de energie

Doctorand ing. ROŞU P. Loredana Elena

1

TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCURE

Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă

universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse oferi

doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB,

/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Opera

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale

Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Universitatea Tehnic

Ă DE DOCTORAT Rezumat

Conformarea şi comportarea la acţ


disipatori de energie

U P. Loredana Elena

Conducător de doctorat prof.univ.dr.ing. Adrian-Şerban DIMA

BUCUREŞTI 2013

II BUCUREȘTI

şi Agricole

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor

„Burse oferite

, beneficiar UTCB, cod

Programului Operaţional

at din Fondurile Structurale

tre Universitatea Tehnică de

i comportarea la acţiuni


tor de doctorat Şerban DIMA

3

CUPRINS

1. INTRODUCERE ......................................................................................................................4

2. CONTEXTUL ŞTIINŢIFIC ÎN CARE SE ÎNCADREAZĂ SUBIECTUL TEZEI DE DOCTORAT .................................................................................................................................4

3. TIPURI DE DISPOZITIVE PENTRU REDUCEREA EFECTELOR ACŢIUNII SEISMICE ASUPRA CONSTRUCŢIILOR ..............................................................................5

4. CRITERII DE CONFORMARE SI PERFORMANŢĂ PENTRU PROIECTAREA UNEI STRUCTURI CU DISIPATORI ......................................................................................7

5. EVALUAREA PERFORMANŢELOR DISIPATORILOR VÂSCOŞI PRIVIND CANTITATEA DE ENERGIE DISIPATĂ ..............................................................................11

5.1. Disiparea energiei seismice într-o structură cu disipatori vâscoşi ..........................11

5.2. Studiu de caz pentru diferite nivele de amortizare suplimentară ..............................11

5.3. Concluzii ....................................................................................................................17

6. CONFORMAREA OPTIMĂ A UNEI STRUCTURI CU DISIPATORI VÂSCOŞI .......18

6.1. Aspecte generale ........................................................................................................18

6.2. Metode de amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi ..............................................18

6.3. Metoda propusă pentru amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi .........................18

6.4. Concluzii ....................................................................................................................30

7. STUDIUL COMPORTĂRII STRUCTURILOR ÎN CADRE CONTRAVÂNTUITE CENTRIC, CONTRAVÂNTUITE EXCENTRIC ŞI CU DISIPATORI DE ENERGIE SUPUSE LA ACŢIUNI SEISMICE ..........................................................................................31

7.1. Descrierea structurilor analizate ...............................................................................31

7.2. Rezultatele analizelor si observatii ............................................................................34

7.3. Concluzii ....................................................................................................................41

8. CONCLUZII, CONTRIBUŢII ŞI DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE ................42

8.1. Concluzii ....................................................................................................................42

8.2. Contribuţii personale .................................................................................................44

8.3. Direcţii viitoare de cercetare .....................................................................................44

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ .................................................................................................45

4

1. INTRODUCERE

Primul capitol are caracter introductiv, stabileşte domeniul în care se încadrează teza de doctorat şi prezintă obiectivele tezei. Astfel, se prezintă consideraţii privind efectele devastatoare ale cutremurelor de pământ şi importanţa îmbunătăţirii comportării structurilor supuse la acţiuni seismice. În ultimii ani s-a dezvoltat conceptul de control al răspunsului seismic în vederea limitării avariilor produse de seisme şi pentru a optimiza costurile de execuţie a structurilor noi cât şi a celor consolidate. Acest control se realizează introducând în structură dispozitive de disipare a energiei seismice (disipatori). La noi în ţară nu sunt cunoscute foarte bine aceste sisteme inovative fiind necesare recomandări privind modalitatea de implementare a disipatorilor de energie în condiţiile specifice de seismicitate ale ţării noastre.

2. CONTEXTUL ŞTIINŢIFIC ÎN CARE SE ÎNCADREAZĂ SUBIECTUL TEZEI DE DOCTORAT

Acţiunea seismică este o acţiune dinamică - rapid variabilă în timp - care se caracterizează prin mişcări puternice ale scoarţei terestre. Cele mai importante aspecte ale mişcării seismice seismice constau în efectele exercitate asupra construcţiilor.

Ecuatia de echilibru dinamic care caracterizează mişcarea unui sistem structural în general este evidenţiată de relaţia (2.1):

� ∙ �� + ∙ � �� + � ∙ �� = −� ∙ �� (2.1) [17]

Unde : - us(t) – acceleraţia terenului; M – masa sistemului; C – constanta de amortizare a sistemului; K – rigiditatea sistemului; u(t), � ��, �� – răspunsul structural în termeni de deplasări, viteze şi acceleraţii. [17]

Intervenind asupra oricărui termen din ecuaţie (masă, amortizare, rigiditate), prin diverse tehnici, se obţine un control al răspunsului seismic. S-au dezvoltat diverse sisteme de disipare a energiei seismice, care adăugate pe structură, realizează acest control. Capitolul al doilea prezintă stadiul utilizării dispozitivelor suplimentare de disipare a energiei seismice pe plan internaţional şi avantajele utilizării disipatorilor. Preocuparea privind utilizarea acestor dispozitive inovative este veche, unul dintre principalele centre de testare a disipatorilor cu fluid vâscos fiind Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research din campusul Universitatii de Stat New York din Buffalo care a efectuat numeroase teste din anul 1993. Rezultatele au arătat ca aceste dispozitive îmbunătăţesc performanţele structurilor supuse la acţiuni seismice. Ca urmare a numărului mare al acestor dispozitive, realizate într-o gamă diversificată, pe plan internaţional au apărut standarde de proiectare referitoare la cele mai uzuale sisteme.

Pe plan naţional aplicarea acestor metode de control structural se află într-o fază incipientă, primele structuri prevăzute cu sisteme de disipare fiind realizate abia în anii recenţi. Sunt necesare soluţii moderne de consolidare a fondului construit, care să nu producă un deranj major pentru locatari, sa fie rapide si economice. În ceea ce priveşte construcţiile noi, tendinţa de dezvoltare a acestora pe înălţime, cât si dorinţa de a obţine spaţii cu deschideri mari, conduce la necesitatea îmbunătăţirii comportării sistemelor structurale din zone seismice. Se urmăreşte

5

limitarea deplasărilor şi a acceleraţiilor de nivel, la acţiunea seismică, dar şi la acţiunea vântului. Reţinerile proiectanţilor privind utilizarea disipatorilor de energie seismică provin din lipsa unor modele şi a unor metode de calcul, corelate codurilor de proiectare din Romania, ale structurilor echipate cu aceste tipuri de dispozitive.

În ceea ce priveşte aspectul economic, în lipsa unor modele adecvate şi datorită utilizării foarte restrânse la noi în ţară, nu se cunosc îndeajuns avantajele aduse de echiparea structurilor cu astfel de dispozitive.

Dispozitivele de disipare se pot clasifica din punctul de vedere al mecanismului de amortizare astfel: - Sisteme active : Sisteme dependente de acceleraţii - Sisteme pasive :

Sisteme dependente de viteză (dispozitive cu fluid vâscos) Sisteme dependente de deplasare (disipatoare de tip hysteresis) Sisteme dependente de acceleraţii : Sisteme cu masa acordată pasivă Combinaţii intre sistemele de mai sus - dependente de viteză + deplasare Sisteme de izolare a bazei - Diverse combinaţii între sistemele active şi sistemele pasive - Sisteme semi-active : Dispozitive semi-active

3. TIPURI DE DISPOZITIVE PENTRU REDUCEREA EFECTELOR ACŢIUNII SEISMICE ASUPRA CONSTRUCŢIILOR

Capitolul 3 prezintă o scurtă clasificare a tipurilor de disipatori de energie în stadiul actual. Dintre dispozitivele de disipare pasive se vor studia dispozitivele dependente de viteză, respectiv disipatorii cu fluid vâscos.

Toate dispozitivele pasive (bazate pe curgerea oţelului, cu frecare, vâscoase şi vâscoelastice) convertesc energia cinetică din încărcări exterioare în căldură. Spre deosebire de izolarea bazei care acţionează într-un singur plan al clădirii, disipatorii pasivi acţionează pe întrega înălţime a suprastructurii.

În prezent se cunosc numeroase tipuri de amortizori care au la bază principii de funcţionare cum ar fi de exemplu ductilitatea metalului, deformarea inelastică a plumbului sau curgerea unui fluid prin orificii. Dintre aceste sisteme, dispozitivele de disipare a energiei cu fluid vâscos s-au utilizat cu succes pentru creşterea amortizării în cazul unor structuri la care folosirea altor tipuri de dispozitive era greoaie sau nu era suficientă.

Disipatorii cu fluid vâscos (fig.3-26) functionează pe principiul curgerii fluidului prin orificii. Sunt alcătuiţi dintr-un piston de oţel inoxidabil care se mişcă în interiorul unui cilindru închis ce conţine un fluid vâscos. Un braţ al pistonului este conectat la un element cu orificii. Diferenţa de presiune forţează fluidul să curgă prin găurile capului de piston, iar energia seismică este transformată în caldură care se disipă în atmosferă. Se crează o forţă de amortizare (F), disipându-se astfel energia.

6

Fig.3-26. Schema unui dispozitiv cu fluid vâscos [63]

Forţa rezultantă a unui amortizor vâscos depinde de viteza relativă dintre cele două capete ale amortizorului. Relatia forţă – viteză depinde în special de caracteristicile fluidului si are următoarea formulă generală (3.3) :

�� = � ∙ �� (3.3)[80]

Unde: FDV – este forta disipatorului; c – este constanta disipatorului; ν - este viteza relativă

dintre capetele disipatorului si α este exponentul de amortizare cu valori între 0.1-2.

Fig.3-27. Curbe Forţa Disipator – Viteza pentru diferite valori ale exponentului de amortizare(α)

In fig.3-27 sunt reprezentate curbele forţă – viteză pentru diferite valori ale exponentului de amortizare, calculate pentru o valoare a constantei c egală cu 500. Se poate observa că toate curbele se intersectează atunci când forţa atinge valoarea constantei c. Amortizorii vâscoşi neliniari (α<1) sunt avantajoşi deoarece pentru valori mici ale vitezei, pot dezvolta o forţă mai mare decât disipatorii liniari, pentru viteze mari.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.5 1 1.5 2 2.5

For

ta d

isip

ator

ului

vas

cos

(kN

)

Viteza (m/s)

α=0.1

α=0.5

α=1.0

α=1.5

α=2.0

7

Curba histeretică pentru un amortizor liniar este o elipsă. Cu cât exponentul de amortizare scade, forma curbei histeretice se apropie de o formă dreptunghiulară. Pentru o forţă dată, cantitatea de energie disipată de un amortizor vâscos cu α<1 este mai mare decât cea disipată de un amortizor liniar (α=1).

Pentru o structură care este într-o mişcare de vibraţii libere deplasările şi viteze maselor au aceaşi perioadă de vibraţie dar valorile extreme ale acestor două mărimi nu se ating simultan. Deplasarea relativă asociată deformaţiilor structurii este cea mai importantă deoarece forţele interne ale structurii sunt direct legate de deplasări. Forţele maxime proporţionale vitezelor

maselor sunt defazate cu π/2 faţă de forţele maxime proporţionale cu deplasările maselor.[6] Din acest motiv un avantaj important şi unic al disipatorilor vâscoşi constă în faptul că forţele disipatorului sunt defazate faţă de alte forţele dependente de deplasare şi astfel nu se adaugă direct la forţele maxime dezvoltate în elementele principale structurale. Acest atribut este de dorit deoarece previne posibilitatea cedării prin compresiune a stâlpilor slabi în aplicaţiile de consolidare a structurilor existente utilizând disipatori văscoşi.[6]

Disipatorii vâscoşi pot fi introduşi în structură în diferite poziţii, cele mai uzuale fiind sub formă de diagonale sau în contravântuiri de tip chevron.

Disipatorii vâscoşi prezintă unele avantaje comparativ cu celelalte tipuri de dispozitive pasive, cea mai importantă fiind abilitatea lor de a reveni la caracteristicile iniţiale după un seism major. O altă caracteristică importantă a lor este şi aceea că pot fi instalaţi foarte uşor în structură, în cazul consolidării unor structuri existente, fără a fi nevoie de întreruperea funcţionării clădirii. Principalul dezavantaj al disipatorilor vâscoşi constă în preţul dispozitivelor.

Sunt prezentate câteva exemple de utilizare a disipatorilor de energie atât pe plan internaţional cât şi naţional. În ultimii ani, s-au folosit din ce în ce mai mult dispozitivele de disipare pasive, atât pentru construcţii noi cât si pentru consolidarea celor existente. Utilizarea acestor dispozitive a început şi în ţara noastră iar tendinţa este de aplicare a lor pe scară largă. În prezent se studiază modalităţi de reducere a costurilor acestor sisteme, iar direcţiile de cercetare s-au îndreptat spre realizarea unor dispozitive cât mai economice, pentru a putea fi utilizate cu succes ca soluţii de reducere a răspunsului seismic, în proiectarea curentă.

4. CRITERII DE CONFORMARE ŞI PERFORMANŢA PENTRU PROIECTAREA UNEI STRUCTURI CU DISIPATORI

În capitolul 4 sunt prezentate prevederile din normele actuale de proiectare naţionale şi internaţionale privind conformarea structurilor cu disipatori şi modalitatea de calcul a dispozitivelor de disipare cu fluid vâscos. Primele precizări privind calculul disipatorilor vâscoşi şi calculul structurilor prevăzute cu acest tip de dispozitive au fost formulate în normele americane FEMA. La noi în ţară, recomandări privind structurile cu dsipatori vâscoşi se regăsesc în normativul P100-3, Anexa F.

Normele actuale internaţionale şi naţionale cuprind prevederi asemănătoare privind conformarea şi calculul structurilor cu disipatori vâscoşi şi privind dimensionarea disipatorilor vâscoşi şi modul de dispunere al acestora în structură. Referitor la calculul disipatori vâscoşi neliniari există puţine informaţii.

8

Protecţia pasivă urmăreşte schimbarea caracteristicilor dinamice ale structurii şi prin urmare analiza dinamică neliniară "time-history” este cea care determină cel mai precis performanţele disipatorilor pasivi, respectiv ale disipatorilor vâscoşi.

Calculul disipatorilor vascoşi in conformitate cu normele in vigoare

În general, cresterea amortizării reduce spectrul de răspuns al acceleraţiilor şi deplasărilor. Reducerea nu este însă constantă pe toată durata răspunsului. Pentru perioada egală cu zero amortizarea nu are efect pentru că valoarea spectrală este egală cu acceleratia maximă a terenului. Pentru perioade lungi, amortizarea are un efect mic asupra acceleraţiilor şi un efect mai mare asupra deplasărilor. Astfel au fost aproximaţi şi s-au propus factori de reducere pentru a ajusta răspunsul spectral în funcţie de amortizare.

Factorul de reducere conform Eurocode8

Factorul de corecţie a amotizării BEC8 (η) utilizat pentru reducerea spectrului de răspuns trebuie să indeplinească condiţia din rel.(4.15):

� = � ��

≥ 0.55 (4.15) [78]

η are valoarea de referinţă 1 pentru o amortizare vâscoasă de 5%. [78] Acesta se utilizează conform rel. (4.16) şi (4.17).

"#$% = 1 − �1 − �� ∙ ''( pentru 0 ≤ * < *, (4.16) [78]

"#$% = � pentru * ≥ *, (4.17) [78]

Unde: TB= limita inferioară a perioadelor corespunzătoare palierului de acceleraţie spectrală constantă.

Dimensionarea disipatorilor vâscoşi liniari

Coeficientii de vâscozitate ai disipatorilor vâscoşi se stabilesc din condiţia ca amortizarea suplimentară sa fie egală cu un procent din nivelul critic. Pentru determinarea caracteristicii disipatorilor vâscoşi se va utiliza metodologia descrisă în FEMA 356 [77].

Relaţia 4.29 rezultă din egalarea energiei disipate într-un ciclu de oscilaţie complet de către structura reală cu cea a unui sistem vâscos echivalent aşa cum se poate observa în fig.4-5, unde: ES reprezintă energia potenţială maximă de deformaţie şi EDVL reprezintă energia disipată de dispozitivele liniare într-un ciclu de oscilaţie..

Astfel: .��/ = 4 ∙ 1 ∙ 234 ∙ .� ⟹ 234 = #6789:∙#; (4.29) [1]

Etapele de calcul ale disipatorilor liniari pot fi exprimate astfel [5]: 1. Se alcătuieşte structura fără amortizori şi se stabilesc parametrii răspunsului structurii şi

primul mod de vibraţie 2. Se determină factorul de reducere şi se stabileşte fracţiunea din amortizarea critică

urmărită a se obţine prin introducerea disipatorilor vâscoşi

9

3. Se alege o amplasare a amortizorilor în structură şi se determină unghiul format de disipator cu orizontala.

4. Se efectuează un calcul dinamic liniar cu fracţiune din amortizarea critică sporită pentru a determina deplasarea aşteptată a structurii şi deplasarea relativă dintre capetele dispozitivului

5. Se determină constanta disipatorilor liniari c, în funcţie de rezultatele de la punctul 4 şi cu ajutorul ecuaţiei (4.35)

6. Se efectuază din nou un calcul dinamic liniar/neliniar al structurii cu disipatori pentru a determina forţa maximă din aceştia şi pentru a verifica reducerea aşteptată a răspunsului structurii.

Răspunsul seismic al unui cadru metalic necontravântuit cu şi fără disipatori vâscoşi

Studiul de caz arată că folosirea disipatorilor vâscoşi conduce la un răspuns structural îmbunătăţit chiar şi pentru acţiuni seismice cu o intensitate mică

Este analizat un cadru metalic necontravântuit cu şi fără disipatori, supus unor acţiuni seismice, utilizând accelerograme înregistrate la statia seismica UTC1 (UTCB Tei) a Centrului

National pentru Reducerea Riscului Seismic . Cutremurele sunt din sursa Vrancea subcrustală. Pentru fiecare componentă orizontală a accelerogramelor, s-a calculat răspunsul seismic al structurii metalice (în domeniul elastic) cu programul SAP 2000, iar răspunsul în termeni de acceleraţii şi deplasări a fost modelat ca proces stochastic. Răspunsul structurii în termeni de acceleraţii absolute şi deplasări maxime poate fi modelat printr-o repartiţie Gaussiană.

a) b)

Fig.4-8. a) Cadru fără disipatori; b) Cadru cu disipatori.

Structura a fost concepută şi dimensionată conform codului de proiectare seismică P100-1/2006, pentru amplasamentul Bucureşti.

Cadrul analizat are o deschidere de 7,00m si 2 niveluri de cate 4,50m şi face parte dintr-o structură la care distanţa interax dintre cadre este de 7,00m. Oţelul folosit este S235 care are limita de curgere fy=235 N/mm2.

În varianta cu disipatori vâscoşi, disiparea de energie se face atât prin plastificarea oţelului (amortizare naturală) cât şi prin amortizare vâscoasă la nivelul disipatorilor (amortizare suplimentară). Cadrul analizat este cel fără disipatori la care s-au adăugat disipatorii vâscoşi.

10

Elementele structurii sunt dimensionate la o forţă seismica corespunzătoare unei amortizări de 25 % din care 3% reprezintă amortizarea naturală. În acest caz se va corecta forţa tăietoare de bază cu factorul η din relaţia (4.57):

� = � ��<��

= 0.58 (4.57)

Coeficienţii de vâscozitate ai disipatorilor vâscoşi se stabilesc din condiţia ca amortizarea suplimentară să fie egală cu 22% din nivelul critic.

� = 509�?@/B (4.58)

Rezultatele analizei time-history S-a efectuat pentru început un calcul neliniar al structurilor utilizând accelerograma

înregistrată care are cea mai mare valoare a acceleraţiei maxime. S-a observat că pentru toate accelerogramele disponibile structura nu are incursiuni în domeniul inelastic şi în consecinţă s-a realizat un calcul elastic liniar.

Modelarea acceleraţiei absolute maxime la vârf ca variabilă aleatoare

Considerând răspunsul structural ca un proces stochastic staţionar, de medie zero, a fost demonstrată ipoteza de normalitate pentru răspunsul structural al ambelor tipuri de cadre, corespunzător accelerogramelor prezentate. Pentru aceasta, au fost determinate caracteristicile procesului stochastic: media, abaterea standard si coeficientul de oblicitate. Indicatorul cel mai relevant este coeficientul de oblicitate care in cazul repartiţiilor de frecvenţe simetrice este egal

cu zero (CD� = 0).

Fig.4-11. Răspunsul structural în termeni de acceleraţie absolută maximă

Modelarea deplasarii maxime la vârf ca variabilă aleatoare

Valorile coeficienţilor de oblicitate, confirmă faptul că pentru porţiunile din accelerogramă în care semnalul poate fi considerat staţionar, valorile deplasării maxime la partea superioară a structurii şi valorile acceleraţiilor absolute maxime la partea superioară a structurii pot fi modelate printr-o repartiţie normală (gaussiană). În figura 4-12 sunt prezentate valorile teoretice

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

-0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030

fx(x

)

Acceleratie (m/s2)

11

ale coeficientului de oblicitate pentru diferite tipuri de repartiţii (N,GU,LN), şi variaţia valorilor acestui coeficient pentru răspunsul seismic al celor două cadre, în termeni de deplasări maxime (-0.15,+0.40). Din cele prezentate se poate accepta că răspunsul structurii în termeni de acceleraţii absolute şi deplasări maxime poate fi modelat printr-o repartiţie Gaussiană.

Fig.4-12. Variaţia valorilor coeficientului de oblicitate pentru cele două cadre

unde: N(G) - repartiţie normală (Gaussiană) = 0; GU - repartiţie Gumbel; LN - repartiţie Lognormală - variază între repartiţia normală şi repartiţia Gumbel

5. EVALUAREA PERFORMANŢELOR DISIPATORILOR VÂSCOŞI PRIVIND CANTITATEA DE ENERGIE DISIPATĂ

Capitolul 5 prezintă un studiu de caz privind eficienţa utilizării disipatorilor vâscoşi din punctul de vedere al cantităţii de energie indusă în structură şi disipată cu ajutorul disipatorilor.

5.1. Disiparea energiei seismice într-o structură cu disipatori vâscoşi

Energia indusă de seism în structură este compusă din energie cinetică, elastică, histeretică şi amortizare. Energia cinetică reflectă lucrul mecanic al forţelor de inerţie, energia elastică reprezintă cantitatea de energie stocată în structură sub formă de rezistenţă elastică, energia de amortizare reprezintă lucrul mecanic realizat de forţele de amortizare. Energia histeretică reprezintă energia disipată prin acţiunea histeretică.

5.2. Studiu de caz pentru diferite nivele de amortizare suplimentară

În acest studiu este analizată soluţia de mărire a nivelului de amortizare a structurii prin introducerea de amortizori vâscoşi lineari conectaţi între nivelele acesteia.

Pe toată durata de manifestare a acţiunii seismice, cel puţin una dintre componentele sistemului dinamic este mobilizată la întregul potenţial. Astfel, când deplasările relative de nivel sunt mari, vitezele relative de nivel sunt relativ mici. În astfel de situaţii lucrează ȋn special componenta elastică. Deplasărilor relative de nivel mici le corepund ȋn general viteze relative de nivel mari, caz ȋn care lucrează preponderent componenta vâscoasă.

Majoritatea metodelor de dimensionare a disipatorilor de energie vâscoşi (de determinare a constantei disipatorului) existente la ora actuală se bazează pe impunerea unei anumite relaţii ȋntre lucrul mecanic efectuat de disipatori ȋntr-un ciclu complet de oscilaţie şi energia potenţială de deformaţie maximă din acel ciclu, pentru sistemul dinamic având comportare liniar-elastică.

Calculul dinamic-neliniar al unor structuri echipate cu astfel de disipatori arată ȋnsă că nu poate fi impusă ȋn toate cazurile comportarea liniar-elastică a acestora, ceea ce plasează sistemul dinamic ȋn afara ipotezelor de dimensionare a disipatorilor.

Se poate astfel trage concluzia că metodele de dimensionare din categoria mai sus amintită pot constitui cel mult puncte de plecare ȋn dimensionarea disipatorilor de energie vâscoşi. Aceste metode nu pot oferi predictibilitate şi control deplin al răspunsului sistemului dinamic supus

12

acţiunii seismice. Rămâne ca certificarea dimensionării corecte a disipatorilor să fie obţinută ȋn urma unui număr suficient de mare de calcule dinamice neliniare şi analiza detaliată a parametrilor răspunsului structurii.

Acest studiu de caz analizează comportarea sistemelor echipate cu disipatori de energie liniar-vâscoşi atât pe baza parametrilor obişniţi ai răspunsului (deplasări, acceleraţii absolute, forţă tăietoare de bază), cât şi sub aspectul cantităţii de energie indusă de acţiunea seismică ȋn structură şi disiparea acesteia prin amortizare vâscoasă (naturală şi la nivelul disipatorilor) şi histeretică (prin eventuala apariţie a unor articulaţii plastice).

Descrierea structurilor analizate

Pentru a evidenţia contribuţia disipatorilor vâscoşi la disiparea energiei seismice, este considerată o structură metalică regulată, dimensionată conform EC 8 – anexa naţională, aflată ȋn condiţiile de seismicitate corespunzătoare oraşului Bucureşti.

Structura are trei deschideri de 8.00m, două travei de 8.00m şi trei niveluri de 3.80m fiecare. Oţelul folosit este S355 (fy=355 N/mm2). Secţiunile elementelor structurale sunt: stâlpi – secţiune de tip cruce de Malta realizată din profile de tip HEA şi table sudate, grinzi – secţiune de tip dublu T (profile tip IPE). Planşeele sunt realizate din plăci de beton armat şi sunt considerate infinit rigide în planul lor. Masele structurii sunt calculate din incărcările: greutate proprie, încărcări permanente, utilă şi zăpadă.

Structura este analizată în două variante de alcătuire structurală: varianta structurală în cadre necontravântuite (S0) (Fig.5.a.) şi varianta structurală în cadre necontravântuite cu disipatori vâscoşi cu trei nivele de amortizare suplimentară (de 12% - S12, 22% - S22 şi 32% - S32 din nivelul critic) (Fig.5.b.).

Pentru analiză s-au utilizat programele de calcul SAP2000 şi Perform 3D. S-a considerat un nivel de amortizare naturală de 3%. Disipatorii vâscoşi au fost amplasaţi

corespunzător figurii 5-2.a. şi 5-2.b., câte doi disipatori vâscoşi pe fiecare direcţie principală la fiecare nivel, în cadrele marginale, în poziţie orizontală. Un capăt al dispozitivului este fixat la partea superioară a stâlpului adiacent şi celălalt capăt este conectat la nodul de intersecţie a unui sistem de diagonale care se mişcă în acelaşi timp cu planşeu nivelului inferior.

a) b)

Fig. 5-2. Amplasarea disipatorilor vâscoşi (a,b)

13

Forţa tăietoare de bază a fost corectată cu factorul η (Rel.5.12, Rel.5.13, Rel.5.14) corespunzător fiecăreia dintre cele trei valori ale procentului de amortizare suplimentară: ξef12=12, ξef22=22, ξef32=32.

η�F = � ��<�GHIJK

= 0.81 (5.12) ηFF = � ��<�GHIKK

= 0.63 (5.14)

η<F = � ��<�GHINK

= 0.53 (5.13)

Tabelul 5-1. Perioadele fundamentale de vibraţie.

Sistem structural

Perioada fundamentală de vibraţie (s)

Modul de vibraţie S0 S12 S22 S32

Mod 1 0.69 1.34 1.61 1.60

Mod 2 0.66 0.75 0.90 0.89

Au fost realizate un numar de 124 de analize dinamice neliniare folosind accelerograma înregistrată Vrancea 1977, N-S, INCERC, Bucureşti, scalată cu factorul 1.2 şi 30 de accelerograme artificiale compatibile cu spectrul de proiectare pentru amplasamentul considerat, generate cu ajutorul programului Mathlab.

Fig.5-3. Spectrul elastic şi spectrele generate pentru trei accelerograme sintetice

Rezultatele analizelor şi observaţii

Răspunsul structurii pentru cele patru variante analizate, este prezentat mai jos în termeni de deplasări maxime la vârf, acceleraţii absolute la vârf şi energie disipată.

0.001.002.003.004.005.006.007.008.00

0 1 2 3 4

Acc

eler

atia

SA

[m

/s2]

Perioada T [s]

P100accaccacc

14

Fig.5-8. Energia disipată în structura S12 pentru accelerograma 17; 1 – energia disipată prin deformaţii plastice (energie inelastică); 2 – energia disipată prin amortizare naturală; 3 – energia disipată

în disipatori; 4 – energia elastică; 5 – energia cinetică.

Tabelul 5-2. Energia indusă şi energia disipată corespunzătoare accelerogramei artificiale 17.

Tip Energie Cantitate Energie [KNm]

S0 - Cadre necontravântuite

Cadre necontravântuite cu disipatori vâscoşi S12 S22 S32

Energie indusă 655.7 100% 635.1 100% 723.0 100% 700.4 100%

Energie disipată prin deformare plastică

308.8 47.1% 11.5 1.81% 9.8 1.35% 5.1 0.73%

Energie disipată prin amortizare naturală

338.2 51.58% 64.0 10.08% 45.0 6.23% 33.6 4.8%

Energie potenţială de deformaţie

8.6 1.32% - - - - - -

Energie disipată prin amortizorii vâscoşi

- - 559.6 88.12% 668.2 92.42% 661.7 94.48%

Tabelul 5-4. Constanta disipatorului şi consumul de oţel.

Caracteristici structurale şi valori de răspuns

Sistem structural S0 - Cadre

necontravântuite Cadre necontravântuite cu disipatori vâscoşi

S12 S22 S32 Procent de amortizare

suplimentară 0 12% 22% 32%

Constanta disipatorului c (KNs/m)

- 2816 4873 7030

Consumul de oţel (Kg) 59210 54950 45590 44440

Cele trei structuri cu disipatori vâscoşi au o comportare în domeniul elastic.

0

200

400

600

800

0 5 10 15 20

Ene

rgie

[kN

m]

Timp[s]

5

4

3

2

1

15

Fig. 5-15. Distribuţia deplasărilor maxime la vârf

Fig. 5-20. Distribuţia acceleraţiilor maxime absolute la vârf

1

30

Acc

eler

ogra

me

Deplasare maxima la vârf [m]

Fara amortiz.supl. 12 % 22 % 32 %

0

35

70

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

Fre

cven

te r

elat

ive

norm

aliz

ate

[1/m

]

Deplasare maxima la vârf [m]

22 % 12 % 32 % Fara amortiz. supl.

1

30

3 4 5 6 7 8 9 10 11

Acc

eler

ogra

me

Fara amortiz.supl. 12% 22% 32%

0.0

0.4

0.8

1.2

3 4 5 6 7 8 9 10 11

Fre

cven

te r

elat

ive

norm

aliz

ate

[1/m

/s2 ]

Acc. Max. Abs. la vârf [m/s2]

22% 12% 32% clasic

16

Fig. 5-25. Distribuţia energiei seismice induse

Fig.5-27. Distribuţia energiei disipate prin deformaţii plastice pentru structurile cu disipatori S12, S22, S32

1

30

300 400 500 600 700 800 900A

ccel

erog

ram

eEnergia seismica indusa [kNm]

Fara amortiz.supl.12%

22%

32%

0.00

00.

005

0.01

0

300 400 500 600 700 800 900

Fre

cven

te r

elat

ive

norm

aliz

ate

[1/m

/s2 ]

Energia seismica indusa [kNm]

22% 12% 32% Fara amortiz.supl.

1

30

0 2 4 6 8

Acc

eler

ogra

me

Enegia disipata prin deformatii plastice [%din total]

12%

22%

32%

0.00

0.40

0.80

0 2 4 6 8

Frec

vent

e re

lati

ve

norm

aliz

ate

[1/s

2 ]

Enegia disipata prin deformatii plastice [%din total]

12 %

22%

32%

17

Fig.5-31. Distribuţia energiei disipate prin disipatori vâscoşi liniari

5.3. Concluzii

Nivele suplimentare de amortizare influenţează în primul rând energia indusă în structură şi distribuţia acesteia (fig.5-25). Structura fără disipatori de energie S0, va rămâne într-o formă deformată, ea neavând capacitatea de a reveni la forma şi poziţia iniţială. Se poate confirma recomandarea din normativul P100-3 referitoare la fracţiunea din amortizarea critică ce devine neeconomică pentru valori mai mari decât 30% din punctul de vedere al energiei disipate prin componenta vâscoasă. În tabelul 5-2 se poate observa diferenţa foarte mică între cantitatea de energie disipată de disipatorii cu fluid vâscos pentru procentele de amortizare suplimentară de 32% (661.7KNm)şi 22% (668.2KNm). Reducerea cantităţii de oţel pentru nivelul de amortizare suplimentară de 32% din amortizarea critică comparativ cu cantitatea de oţel pentru nivelul de amortizare suplimentară de 22% este mică, neputând compensa costul suplimentar pentru ca amortizorii să realizeze procentul de amortizare de 32%. Cea mai avantajoasă structură din punctul de vedere al energiei disipate şi al reducerii cantităţii de oţel este S22, cu un procent de amortizare suplimentară de 22% din amortizarea critică. Se poate afirma că fracţiunea din amortizarea critică influenţează semnificativ distribuţia energiei induse în forma energiilor componente.

1

30

84 88 92 96Acc

eler

ogra

me

Energia disipata de disipatori vâscoşi [%]

12 22 32

0.00

0.40

0.80

84 88 92 96

Frec

vent

e re

lati

ve

norm

aliz

ate

[1/%

]

Energia disipata de disipatorii vâscoşi [%]

12 %

22%

32%

18

6. CONFORMAREA OPTIMĂ A UNEI STRUCTURI CU DISIPATORI VÂSCOŞI

6.1. Aspecte generale

Capitolul 6 prezintă o scurtă descriere a unor metode de amplasare cât mai eficientă a disipatorilor vâscoşi, în funcţie de diferiţi parametrii consideraţi optimi. Se analizează apoi mai multe modalităţi de amplasare a disipatorilor, pentru a se putea recomada varianta optimă corespunzătoare sistemului structural ales. Termenii de comparaţie sunt valorile anumitor mărimi ale răspunsului structural: deplasare la vârf, acceleraţie absolută la vârf, forţă tăietoare de bază, deplasări relative de nivel.

În funcţie de obiectivul urmărit (limitarea deplasarilor de nivel), se vor compara mai multe tipuri de sisteme structurale, cu şi fără disipatori, alegand cea mai eficientă variantă din punctul de vedere al performanţelor dar şi al consumului de oţel.

Contribuţia disipatorilor vâscoşi asupra îmbunătăţirii răspunsului structural la acţiuni seismice a fost demonstrat în numeroase studii însă, principalul dezavantaj al acestor amortizori rămâne costul ridicat. O soluţie pentru reducerea costului ar putea fi micşorarea numărului de disipatori introduşi în structură, fără a reduce însă şi parametrii de răspuns ai acesteia. Pentru a obţine acest lucru disipatorii trebuie amplasaţi astfel încât să aibă un aport maxim privind energia disipată şi reducerea răspunsului seismic.

6.2. Metode de amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi

Problema amplasării optime a disipatorilor vâscoşi a fost studiată intens în ultima perioadă în scopul obţinerii unor sisteme structurale eficiente atât din punctul de vedere al comportării seismice cât şi al costului. Au fost propuse mai multe metode pentru a ajunge la amplasarea optimă a disipatorilor într-o structură, din ce în ce mai simplificate, cu scopul de a putea fi folosite în practică. Pentru a obţine un răspuns structural optim este necesară stabilirea unui indicator care trebuie să ajungă la o valoare cât mai apropiată de limită. Indicatorul cel mai des considerat este deplasare relativă de nivel, acest parametru fiind considerat în mai multe coduri ca un bun indicator al nivelului performanţelor structurale.

6.3. Metoda propusă pentru amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi

Analizând metodele de amplasare optimă a disipatorilor, prezentate mai sus, se propune o modalitate de amplasare a disipatorilor care să nu necesite un număr mare de calcule şi cu o complexitate mare, şi care să poată fi recomandată încă din faza de predimensionare pentru structurile noi.

Ca indicator de performanţă s-a ales pentru început nivelul de amortizare pentru care structura indeplineşte toate criteriile de conformare structurală, de rezistenţă, rigiditate si deformabilitate astfel încât consum de oţel să fie cât mai mic.

S-au realizat o serie de calcule, considerând o structură metalică alcătuită din cadre necontravântuite, cu trei deschideri de 6.00m şi trei travei de 6.00m, cu mai multe regimuri de înălţime: 6, 10, 13, 15 şi 20 de niveluri (Fig.6-4), notate S6, S10, S13, S15 şi S20. Deoarece s-a observat că pentru înălţimi mai mari ale structurii analizate (15 şi 20 de niveluri) sistemul

19

structural ales nu mai este eficient din punctul de vedere al consumului de oţel, s-au realizat o serie de calcule considerând o structură alcătuită din cadre contravântuite centric cu mai multe regimuri de înălţime: 6, 10, 13, 15, 20 şi 25 de niveluri (Fig.6-24), notate SC6, SC10, SC13, SC15, SC20 şi SC25.

Pentru fiecare structură s-a extras un cadru şi s-a realizat un calcul static liniar şi neliniar precum şi un calcul dinamic neliniar pentru mai multe valori ale amortizării, şi anume: 3%, 15%, 20%, 25%, 30% şi 35%.

După determinarea nivelului optim de amortizare suplimentară pentru fiecare tip de structură s-au propus mai multe modalităţi de amplasare a disipatorilor pe înălţimea structurilor: uniform (pe toată înălţimea), în treimea inferioară, în treimea mijlocie şi în treimea superioară. Structurile au fost calculate pentru fiecare variantă de poziţionare astfel încât să îndeplinească toate cerinţele de rezistenţă şi stabilitate.

Poziţionarea cea mai eficientă poate fi aleasă în funcţie de indicatorul de performanţă dorit: deplasarea la vârf a structurii, acceleraţia absolută maximă la vârful structurii, valoarea minimă a driftului sau constanta de amortizare vâscoasă care variază în funcţie de numărul disipatorilor şi de poziţionarea acestora.

Scopul studiului este de a obţine cel puţin aceleaşi performanţe structurale ca în cazul distribuţiei uniforme pe înălţime, dar cu un număr redus de disipatori respectiv cu un preţ cât mai redus.

S-a realizat un calcul static liniar şi neliniar şi un calcul dinamic neliniar al structurilor utilizând accelerograma inregistrată Vrancea 1977, N-S, INCERC, Bucureşti, scalată cu factorul 1.2 pentru a corespunde intervalului mediu de recurenţă de 100 de ani recomandat în P100-1/2006.

Structuri necontravântuite

Structurile au fost dimensionate conform P100-1-2006 şi EC 8 – anexa naţională, ele fiind amplasate ȋn oraşul Bucureşti.

Cadrele extrase au trei deschideri de 6.00m şi treisprezece niveluri de 3.80m fiecare. Oţelul folosit este S355 (fy=355 N/mm2). Secţiunile elementelor structurale sunt: stâlpi – secţiune dublu T (din table sudate), grinzi – secţiune dublu T (profile IPE şi din table sudate). Clasa de importanţă a clădirilor este II (γI=1.2).

Structurile sunt analizate pentru mai multe valori de amortizare, fiind redimensionate pentru fiecare valoarea a amortizării considerate, astfel încât să îndeplinească condiţiile de rezistenţă şi stabilitate.

Factorul de comportare al structurilor este q=4. Pentru analiză s-a utilizat programul de calcul SAP2000.

20

a) b) c) d) e)

Fig.6-4.Structuri in cadre necontravântuite: a) S6, b) S10, c) S13, d) S15; e) S20.

Valorile perioadelor de vibraţie cresc odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară. Se poate observa micşorarea consumului de oţel odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară pentru toate structurile analizate în fig.6-6.

Fig.6-6. Variaţia consumului de oţel în funcţie de procentul de amortizare

0

50

100

150

200

250

0% 10% 20% 30% 40%

Con

sum

ote

l (t)

Amortizare (%)

S6

S10

S13

S15

S20

21

Valorile optime ale procentelor de amortizare suplimentară pentru care performanţele structurale sunt îmbunătăţite semnificativ sunt 25% pentru structurile cu o înălţime mai mică ( 6 şi 10 niveluri) şi 30% pentru structurile cu înălţimea mai mare (13,15 şi 20 de niveluri).

a) b)

Fig.6-8. Tabloul articulaţiilor plastice în ultimul pas al analizei statice neliniare a) şi ultimul pas al analizei dinamice neliniare b)

În urma analizei dinamice neliniare se poate observa reducerea forţelor tăietoare de bază şi a acceleraţiilor absolute maxime la vărful structurilor odată cu creşterea amortizării.

Pentru structurile S6 şi S10, o comportare optimă a structurii şi un consum de oţel avantajos se obţine pentru un procent de amortizare de 25% din amortizarea critiă. Pentru structurile S15 şi S20, procentul optim al amortizării este 30%. Pentru structuri cu un regim mare de înălţime (15 şi 20 de niveluri), varianta de alcătuire structurală din cadre necontravântuite nu este eficientă din considerente economice.

Amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi

S-au propus patru modalităţi de amplasare a disipatorilor pentru fiecare dintre structuri: uniform pe toată înălţimea structurii, în treimea inferioară, în treimea mijlocie şi în treimea superioară (Fig.6-18). Valorile perioadelor de vibraţie cresc în cazul folosirii disipatorilor vâscoşi odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară.

În urma analizei dinamice neliniare se poate observa că disipatorii amplasaţi la vârful structurii dezvoltă cea mai mică forţă deşi constanta de amortizare cu valoarea minimă se obţine în cazul amplasării disipatorilor în treimea mijlocie. Putem concluziona că amplasarea disipatorilor pe înălţimea structurilor în treimea superioară este cea mai avantajoasă din motive economice.

22

a) b) c) d) Fig.6-18. Amplasarea disipatorilor vâscoşi în structura S13: a)Uniform, b)Bază, c)Mijloc; d)Vârf.

Fig.6-20. Evoluţia deplasărior pe înălţimea structurii S13 pentru amortizarea optimă şi diferite variante de poziţionare a disipatorilor

0

10

20

30

40

50

60

0 0.05 0.1 0.15 0.2

H s

truc

tura

(m

)

Deplasare (m)

Baza

Mijloc

Varf

Uniform

3%

30%

23

Tabel 6-8. Caracteristicile disipatorilor în funcţie de poziţionarea lor pe înălţimea structurii

Structură (Amortizare)

Indicatori

Amplasare disipatori

S6 (25%) Nr. disipatori 6 2 2 2

Constanta c (kNs/m) 1300 8700 2600 5500 Consum oţel (t) 21.1 20.9 20.7 20.7

S10 (25%) Nr. disipatori 10 4 3 3

Constanta c (kNs/m) 3100 12300 8900 9900 Consum oţel (t) 34.2 45.3 45 45

S13 (30%)

Nr. disipatori 13 5 4 4 Constanta c (kNs/m) 5100 17400 12500 14600

Forţa în disipatori (kN) 573 1489 1342 1171 Consum oţel (t) 48.8 67.2 65.6 65.6

S15 (30%) Nr. disipatori 15 5 5 5

Constanta c (kNs/m) 6300 24000 16200 20400 Consum oţel (t) 85.8 84.2 84.2 84.2

Cea mai bună amplasare din punctul de vedere al caracteristicilor disipatorilor vâscoşi (constanta c) şi al numărului de disipatori utilizaţi este varianta de poziţionare a disipatorilor în treimea superioară. Cea mai bună amplasare din punctul de vedere al forţei disipatorului este varianta de poziţionare a disipatorilor în treimea superioară. Această variantă nu este cea mai bună în ceea ce priveşte reducerea deplasărilor, dar este cea mai economică.

Se poate observa că disipatorii vâscoşi, amplasaţi în oricare dintre variante, reduc acceleraţiile absolute maxime la vârf şi forţele tăietoare de bază. Cea mai mare reducere a răspunsului seismic se obţine în varianta cu disipatorii amplasaţi la baza structurii. Aceasta este însă varianta cea mai costisitoare.

Se poate observa (fig.6-23) o reducere a articulaţiilor plastice în grinzi cu 79% faţă de structura iniţială cu o amortizare naturală de 3% în cazul amplasării disipatorilor în treimea mijlocie şi o reducere cu 9% în cazul amplasării disipatorilor în treimea superioară. De asemenea pentru cele două variante de amplasare a disipatorilor se obţine o reducere semnificativă a cantităţii de oţel - cu 27%.

Tabel 6-9. Caracteristicile răspunsului seismic al structurii S13

Mărime răspuns S13

Amortizare 3% Amortizare 30% Cu disipatori

(Amortizare 30%) Depl.max. vârf (m) 0.657 0.725 0.603

Accel.abs.max. vârf (m/s2) 9.52 7.8 5.58 FTB (KN) 2568 1508 1522

Cantit. oţel (t) 88.9 68.3 65.6

24

a) b) c)

Fig. 6-23. Tabloul articulaţiilor plastice în ultimul pas a analizei dinamice neliniare pentru: a) structura

S13 cu amortizare naturala 3%, b) structura S13 cu amortizare teoretica 30% si c) structura S13 cu disipatori amplasati in treimea mijlocie

Structuri contravântuite centric

Cadrele extrase (fig.6-24) au trei deschideri de 6.00m şi treisprezece niveluri de 3.80m fiecare. Oţelul folosit este S355 (fy=355 N/mm2). Secţiunile elementelor structurale sunt: stâlpi – secţiune dublu T (din table sudate), grinzi – secţiune dublu T (profile IPE şi din table sudate) şi contravântuiri din ţevi rotunde. Clasa de importanţă a clădirilor este II (γI=1.2). Factorul de comportare al structurilor este q=4.

Se poate observa micşorarea consumului de oţel odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară pentru toate structurile analizate în fig.6-26.

Valorile optime ale procentelor de amortizare suplimentară pentru care performanţele structurale sunt îmbunătăţite semnificativ sunt 25% pentru structurile cu o înălţime mai mică ( 6 şi 10 niveluri) şi 30% pentru structurile cu înălţimea mai mare (13,15,20 şi 25 de niveluri).

25

a) b) c) d) e) f)

Fig.6-24. Structurile în cadre contravântuite centric analizate: a)S6; b)S10; c)S13; d)S15; e)S20; f)S25.

Fig.6-26. Variaţia consumului de oţel în funcţie de procentul de amortizare

0

50

100

150

200

250

0% 10% 20% 30% 40%

Con

sum

ote

l (t)

Amortizare (%)

SC25

SC20

SC15

SC13

SC10

SC6

26

a) b)

Fig.6-29. Tabloul articulaţiilor plastice în ultimul pas al analizei statice a) şi ultimul pas al analizei dinamice neliniare b) pentru structura SC13

Se poate observa reducerea forţelor tăietoare de bază şi a acceleraţiilor absolute maxime la vărful structurilor odată cu creşterea amortizării.

Pentru structurile SC6 şi SC10, o comportare optimă a structurii şi un consum de oţel avantajos se obţine pentru un procent de amortizare de 25% din amortizarea critiă. Pentru structurile SC13, SC15, SC20 şi SC25, procentul optim al amortizării este 30%.

Fig.6-30. Deplasarea maximă la vârf pentru structurile analizate

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

0% 10% 20% 30% 40%

Dep

lasa

rea

max

ima

la v

arf

(t)

Amortizare (%)

SC25

SC20

SC15

SC13

SC10

SC6

27

Fig.6-32. Forţa tăietare de bază pentru structurile analizate

Amplasarea optimă a disipatorilor vâscoşi

S-au propus patru modalităţi de amplasare a disipatorilor pentru fiecare dintre structuri: uniform pe toată înălţimea structurii, în treimea inferioară, în treimea mijlocie şi în treimea superioară. Pentru fiecare varianta s-au analizat structurile pentru cazul în care disipatorii sunt adaugati într-una dintre deschiderile alaturate contravântuirilor şi pentru cazul în care disipatorii înlocuiesc contravântuirile în structură (Fig.6-33). Valorile perioadelor de vibraţie cresc în cazul folosirii disipatorilor vâscoşi.

a) b) Fig.6-33. Amplasarea disipatorilor vâscoşi în structura SC13: a) Disipatori amplasaţi alăturat

contravântuirilor; b) Disipatori înlocuind contravântuirile

Valorile perioadelor de vibraţie cresc odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară.

Urmărind figura 6-44 se poate observa că distribuţia cea mai uniformă a deplasărilor de nivel pe înălţimea structurii se obine în cazul amplasării disipatorilor în deschiderea alăturată celei contravântuite. Deşi distribuţia deplasărilor în varianta înlocuirii unui număr de contravântuiri cu disipatori vâscoşi nu

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0% 10% 20% 30% 40%

FTB

(kN

)

Amortizare (%)

SC25

SC20

SC15

SC13

SC10

SC6

28

este cea mai atractivă, aceasta se înscrie în limitele admise şi aduce o reducere mai mare a costurilor aşa cum se poate observa în tabelul 6-12.

Fig.6-44. Evoluţia deplasărior pe înălţimea structurii SC13 pentru amplasarea în treimea superioară a disipatorilor vâscoşi

Se poate observa că în cazul poziţionării disipatorilor în deschiderea alăturată celei contravântuite se obţin valori mai mari ale constantei de amortizare vâscoasă rezultând dispozitive mai costisitoare. În toate cazurile amplasarea cea mai eficientă din punctul de vedere economic este cea a poziţionării disipatorilor vâscoşi liniari în treimea superioară.

Cea mai mare reducere a deplasării maxime la vârful structurii se obţine în cazul poziţionării disipatorilor în treimea mojlocie, iar cea mai mare reducere a forţei tăietoare de bază se obţine în varianta poziţionării disipatorilor în treimea superioară.

Din punctul de vedere al comportării cât mai uniforme pe înălţime a structurii putem concluziona că varianta optimă de poziţionare a disipatorilor estea cea în treimea superioară.

Cea mai bună amplasare din punctul de vedere al caracteristicilor disipatorilor vâscoşi (constanta c

şi forţa din disipatori) şi al numărului de disipatori utilizaţi este varianta de poziţionare a disipatorilor în treimea superioară. Această variantă nu este cea mai bună în ceea ce priveşte reducerea deplasărilor, dar este cea care conduce la o comportare a structurii asemănătoare cu cea a structurii fără disipatori.

Se poate observa că disipatorii vâscoşi, amplasaţi în oricare dintre variante, reduc acceleraţiile absolute maxime la vârf şi forţele tăietoare de bază. Cea mai mare reducere a deplasărilor maxime la vârful structurii se obţine în varianta cu disipatorii amplasaţi uniform, pe toată înălţimea structurii. Aceasta este varianta recomandată în norme însă este cea mai costisitoare doarece necesită folosirea unui număr mare de disipatori şi un consum mai mare de oţel.

0

10

20

30

40

50

60

0 0.05 0.1 0.15

H s

truc

tura

(m

)

Deplasare (m)

varf inlocuind cvvarf alaturat3%30%

29

Tabel 6-12. Caracteristicile disipatorilor în funcţie de poziţionarea lor pe înălţimea structurii

Structura Indicatori

Amplasare disipatori

SC6

Disipatori alăturaţi CV

Nr. disipatori 6 2 2 2

Constanta c (kNs/m) 3600 11400 8700 19800 Forţa în disipator (kN) 417 946 853 669

Consum oţel (t) 16.1 15 16 14.9

Disipatori înlocuind CV


Forţa în disipator (kN) 291 584 366 233

Consum oţel (t) 21.1 16.4 16 15.5

SC10



Forţa în disipator (kN) 680 1270 1076 1050 Consum oţel (t) 32.1 31.1 31.1 31




Consum oţel (t) 34.2 36 34.2 29.8

SC13



Forţa în disipator (kN) 885 1787 1822 1112 Consum oţel (t) 47.9 46.3 53.5 44.8




SC15







Consum oţel (t) 85.8 59.2 61.4 54.3

SC20






Forţa în disipator (kN) 601 801 943 689 Consum oţel (t) 100.3 103 97.3 90.9

SC25




Consum oţel (t) 131.3 126.9 124.3 123.9




30

Tabel 6-13. Caracteristicile răspunsului seismic al structurilor SC6, S13 şi SC25

Structura Mărime răspuns Amortizare

3%

Amortizare optimă

30% (25%)

Cu disipatori alăturaţi CV optim (Amortizare 30%)

Cu disipatori înlocuind CV optim (Amortizare 30%)

SC6

Depl.max. vârf (m)

0.253 0.344 0.246 0.325

Accel.abs.max. vârf (m/s2)

8.58 5.80 6.14 5.38

FTB (kN) 920 910 950 855 Cantit. oţel (t) 21.0 16.5 14.9 15.5

SC13

Depl.max. vârf (m)

0.653 0.749 0.623 0.658


8.72 7.20 4.74 6.49


SC25

Depl.max. vârf (m)

1.019 0.772 0.698 0.689


9.14 4.98 4.55 6.13


6.4. Concluzii

Orice metodă de amplasare optimă a disipatorilor trebuie corelată cu cerinţele arhitecturale şi cele de funcţiune ale clădirii. Amplasarea optimă a disipatorilor poate fi folosită şi ca o etapă preliminară dimensionării acestora sau ca o etapă finală pentru obţinerea unei reduceri cât mai mari a răspunsului seismic. Se poate observa eficienţa disipatorilor vâscoşi în toate variantele de amplasare ale acestora observând numărul mai redus al articulaţiilor plastice din grinzi pentru structurile cu disipatori decât pentru structurile fără disipatori.

31

CAPITOLUL 7: STUDIUL COMPORTĂRII STRUCTURILOR ÎN CADRE CONTRAVÂNTUITE CENTRIC, CONTRAVÂNTUITE EXCENTRIC ŞI CU DISIPATORI DE ENERGIE SUPUSE LA ACŢIUNI SEISMICE

Capitolul 7 prezintă un studiu comparativ privind performanţele structurilor echipate cu disipatori de energie cu fluid vâscos, liniari, şi performanţele structurilor cu sisteme structurale clasice şi anume structuri duale în cadre contravântuite centric şi excentric. Pentru dimensionarea dispozitivelor neconvenţionale s-au folosit relaţii din literatura de spacialitate existentă (FEMA), şi s-au făcut recomandari privind calculul structurilor echipate cu dispozitive de disipare din zone seismice. Disipatorii vâscoşi au fost introduşi mai întâi în structură conform indicaţiilor din prevederile în vigoare, respectiv pe toată înălţimea structurii şi minim două dispozitive pe nivel pe fiecare dintre direcţiile principale. A fost analizată apoi modalitatea de amplasare optimă a disipatorilor recomandată în capitolul anterior.

7.1.Descrierea structurilor analizate

In acest studiu o structură metalică multietajată cu 13 niveluri este calculată în patru variante de alcătuire cu scopul de a stabili care dintre soluţiile prezentate este cea mai eficientă atât din punctul de vedere al disipării energiei seismice cât şi economic. Structura considerată este calculată iniţial în două variante clasice, şi anume ca o structură duală cu cadre necontravântuite şi cadre contravântuite centric (S1) (Fig.7-1.a) şi respectiv ca o structură duală cu cadre necontravântuite şi cadre contravântuite excentric (S2) (Fig.7-1.b));. Este analizată apoi soluţia de mărire a nivelului de amortizare a structurii prin introducerea de amortizori vâscoşi liniari conectaţi între nivelele acesteia: structură duală din cadre necontravântuite, cadre contravântuite centric şi cadre cu disipatori vâscoşi cu amortizare suplimentară de 27% din nivelul critic (S3) (Fig.7-2.a) şi structură duală din cadre necontravântuite, cadre contravântuite centric şi cadre cu disipatori vâscoşi cu un număr redus de disipatori (S4) (Fig.7-2.b).

Pentru a evidenţia contribuţia disipatorilor vâscoşi la disiparea energiei seismice, este considerată o structură metalică regulată, dimensionată conform P100-1-2006 şi EC 8 – anexa naţională, aflată ȋn condiţiile de seismicitate corespunzătoare oraşului Bucureşti.

Structura are trei deschideri de 6.00m, patru travei de 6.00m şi treisprezece niveluri de 3.80m fiecare. Oţelul folosit este S355 (fy=355 N/mm2). Secţiunile elementelor structurale sunt: stâlpi – secţiune de tip cruce de Malta din table sudate, grinzi – secţiune dublu T (profile IPE şi din table sudate) şi contravântuiri - secţiune circulară (ţevi rotunde). Planşeele sunt realizate din plăci de beton armat şi sunt considerate infinit rigide în planul lor. Masele structurii sunt calculate din incărcările: greutate proprie, încărcări permanente, utilă şi zăpadă. Clasa de importanţă a clădirii este II (γI=1.2).

Pentru analizele structurale s-a utilizat programul de calcul SAP2000.

32

a) b) Fig.7-1. Vedere în plan, poziţionarea contravântuirilor şi disipatorilor: a) Structura S1; b) Structura S2.

a) b) Fig.7-2. Vedere în plan, poziţionarea contravântuirilor şi disipatorilor a) Structura S3; b) Structura S4.

Structură cu cadre contravântuite centric (S1)

Structura este de tip dual, fiind alcătuită din cadre necontravântuite şi cadre contravântuite centric cu contravântuiri în X pe două niveluri (Fig.7-3).

Structură cu cadre contravântuite excentric (S2)

Structura este de tip dual, fiind alcătuită din cadre necontravântuite şi cadre contravântuite excentric cu link vertical scurt (fig.7-3. c), d)).

33

a) b) c) d)

Fig.7-3. a) Cadru transversal marginal-S1; b) Cadru longitudinal marginal-S1; c) Cadru transversal marginal-S2; d) Cadru longitudinal marginal-S2

Structură cu disipatori vâscoşi (S3)

Structura este alcătuită din cadre necontravântuite, cadre contravântuite centric şi cadre cu disipatori vâscoşi liniari rezultând din structura S1 în urma înlocuirii unor contravântuiri centrice cu disipatori vâscoşi.

Procentul de amortizare suplimentară pentru disipatori a fost ales egal cu 27% din amortizarea critică, iar amortizarea naturală a structurii a fost considerată 3%, rezultând un total de 30% amortizare pentru structură (valoarea optimă obţinută în capitolul 6).

Pentru a evidenţia eficienţa disipatorilor vâscoşi au fost realizate mai întâi analize dinamice neliniare utilizând accelerograma inregistrată Vrancea 1977, N-S, INCERC, Bucureşti, scalată cu factorul 1.2, pentru a corespunde intervalului mediu de recurenţă de 100 de ani (recomandat în P100-1/2006), şi suplimentar, analize dinamice neliniare utilizând accelerograma inregistrată Vrancea 1977, N-S, INCERC, Bucureşti, scalată cu factorul 1.6, pentru a corespunde intervalului mediu de recurenţă de 475 de ani.

34

a) b) c) d)

Fig.7-6. a) Cadru transversal marginal-S3; b) Cadru longitudinal marginal-S3; c) Cadru transversal marginal-S4; d) Cadru longitudinal marginal-S4

Disipatorii vâscoşi sunt amplasaţi în structură sub forma unor diagonale, formând un unghi cu orizontala θj=32°.

Forţa tăietoare de bază a fost corectată cu factorul η, prezentat în relaţia (7.2) corespunzător procentului de amortizare suplimentară aşa cum se poate observa şi în fig.7-7: ξefS3=27.

ηO< = � ��<�GHIPN

= 0.577 (7.2)

Valorile rezultate pentru constantele disipatorilor vâscoşi sunt: cx=25800 kNs/m (direcţia X) şi cy=33200 kNs/m (direcţia Y).

Structură cu disipatori vâscoşi - amplasare optimă (S4)

Structura este alcătuită din cadre necontravântuite şi contravântuite centric şi cadre cu disipatori vâscoşi liniari rezultând din structura S1 la care se adaugă disipatori vâscoşi în treimea superioară a cadrelor contravântuite centric. Această amplasare a disipatorilor a rezultat ca fiind optimă din punctul de vedere economic pentru cadrele contravântuite centric din capitolul 6.

Procentul de amortizare suplimentară pentru disipatori a fost ales egal cu 27% din amortizarea critică, iar amortizarea naturală a structurii a fost considerată 3%, rezultând un total de 30% amortizare pentru structură (valoarea optimă obţinută în capitolul 6). Au fost realizate analize dinamice neliniare similare cu analizele efectuate pentru structura S3.

Valorile rezultate pentru constantele disipatorilor vâscoşi sunt: cx=82000 kNs/m (direcţia X) şi cy=85900 kNs/m (direcţia Y).

7.2. Rezultatele analizelor şi observaţii

Valorile perioadelor modurilor fundamentale de vibraţie (tabel 7-17) cresc odată cu creşterea procentului de amortizare suplimentară în cazul folosirii disipatorilor vâscoşi. În tabelul 7-18 se observă că structurile cu disipatori vâscoşi sunt mai economice din punctul de vedere al

35

consumului de oţel în comparaţie cu structurile clasice. Cea mai avantajoasă variantă structurală este cea cu disipatori vâscoşi amplasaţi optim adică în treimea superioară a cadrelor contravântuite.

Tabel 7-17. Perioadele modurilor fundamentale de vibraţie

Perioada - T(s) S1 S2 S3 S4

Mod 1 (Transversal-Direcţia X) 1.418 1.441 1.829 1.764

Mod 2 (Longitudinal-Direcţia Y) 1.322 1.333 1.175 1.639

Tabel 7-18. Consumul de oţel pentru structurile analizate

Structura S1 S2 S3 S4

Consum oţel 945t 888.3t 816.3t 607.5t

Fig.7-12. Curba pushover pentru structura S1 - direcţia X

Fig.7-15. Curba pushover pentru structura S2 - direcţia X

Se poate concluziona că sistemul dual cu contravântuiri centrice conferă o rezistenţă şi o rigiditate mai mare decât sistemul dual cu cadre contravântuite excentric, dar cu anumite limitări din cauza flambajului contravântuirilor. Structura S2 are un mecanism de plastificare controlat datorită link-urilor şi datorită comportării elastice a celorlalte elemente structurale. Pentru ambele structuri (S1 şi S2) elementele structurale nedisipative au o comportare elastică.

0

5000

10000

15000

20000

25000

-0.5 0 0.5 1 1.5

Fort

a (k

N)

Deplasare (m)

S1

dt S1

Fy S1

0

5000

10000

15000

20000

-0.5 0 0.5 1

Fort

a (k

N)

Ddeplasare (m)

S2

dt S2

36

a) b) c)

Fig.7-17. Tabloul articulaţiilor plastice pentru structura S1 corespunzător deplasării ţintă: a) Cadru

transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 2; c) Cadru longitudinal ax A;

a) b) c)

Fig.7-18. Tabloul articulaţiilor plastice pentru structura S2 corespunzător deplasării ţintă: a) Cadru

transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 2; b) Cadru longitudinal ax A

Rezultatele analizelor dinamice neliniare sunt prezentate pentru nodul 397 aflat la partea superioară a unui cadru transversal marginal.

37

Tabel 7-20. Valorile răspunsului structural pentru direcţia transversală - X

Valori de răspuns - dir.X PMR 100ani PMR 475ani

S1 S2 S3 S4 S3 S4

Deplasarea max. la vârf (m) 0.712 0.434 0.495 0.633 0.637 0.702

Accel. abs. max. la vârf (m/s2) 6.63 5.44 5.26 4.73 6.74 5.91

Forţa tăietoare de bază (kN) 18580 14110 15690 13110 19720 13480

Tabel 7-21. Valorile răspunsului structural pentru direcţia longitudinală - Y

Valori de răspuns - dir.Y PMR 100ani PMR 475ani

S1 S2 S3 S4 S3 S4

Deplasarea max. la vârf (m) 0.694 0.399 0.444 0.620 0.818 0.683

Accel. abs. max. la vârf (m/s2) 7.07 5.29 5.67 4.58 10.83 5.98

Forţa tăietoare de bază (kN) 19060 15440 17830 13830 17990 14630

Forţele dezvoltate în disipatorii vâscoşi sunt: FX = 2790kN şi FY = 3916kN pentru structura S3 - PMR100 ani. FX = 4699kN şi FY = 5265kN pentru structura S4 - PMR100 ani.

Fig.7-19. Reprezentarea variaţiei în timp a deplasărilor maxime la vârf - direcţia X

Fig.7-21. Reprezentarea variaţiei în timp a FTB - direcţia X

-1.00000

-0.50000

0.00000

0.50000

1.00000

0 5 10 15 20 25

Dep

lasa

re (

m)

Timp (s)

S1

S2

S3

S4

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 5 10 15 20 25

FTB

(kN

)

Timp (s)

S1

S2

S3

S4

38

a) b) c)

Fig.7-25. Modul de dispunere al articulaţiilor plastice în urma analizei time-history pentru structura S1: a) Cadru transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 2; c) Cadru longitudinal ax D.

a) b) c)

Fig.7-26. Modul de dispunere al articulaţiilor plastice în urma analizei time-history pentru structura S2: a) Cadru transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 2; c) Cadru longitudinal ax A.

39

a) b) c) d) e)

Fig.7-27. Modul de dispunere al articulaţiilor plastice în urma analizei time-history pentru structura S3: a) Cadru transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 2; c) Cadru transversal ax 3; d) Cadru longitudinal

ax A; e) Cadru longitudinal ax B.

a) b) c) d) e)

Fig.7-29. Modul de dispunere al articulaţiilor plastice în urma analizei time-history pentru structura S4: a) Cadru transversal ax 1; b) Cadru transversal ax 3; c) Cadru transversal ax 4; d) Cadru longitudinal

ax A; e) Cadru longitudinal ax B.

Analizând tabelele 7-20 şi 7-21 se poate observa că pentru o acţiune seismică corespunzătoare unei perioade medii de revenire de 475 de ani răspunsul seismic al structurilor cu disipatori vâscoşi (S3,S4) este bun, având un mecanism de plastificare controlat datorită disipatorilor vâscoşi, şi care este comparabil cu cel al structurii S1 pentru acţiunea seismică corespunzătoare unei perioade medii de revenire de 100 de ani.

40

Valorile parametrilor de răspuns seismic pentru structurile analizate, pentru toate accelerogramele artificiale sunt prezentate în fig.7-31, fig.7-32 şi fig.7-33, unde V reprezintă accelerograma înregistrată Vrancea 1977.

Fig. 7-31. Deplasarea maxima la vârf pentru structurile analizate

Fig. 7-32. Acceleraţia absolută maximă la vârf pentru structurile analizate

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V

Dep

lasa

rea

max

ima

la v

arf

(m)

Accelerograma

S1

S2

S3

S4

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VAcc

eler

atia

abs

olut

a m

axim

a la

va

rf (

m/s

2)

Accelerograma

S1

S2

S3

S4

41

Fig. 7-33. Forţa tăietoare de bază pentru structurile analizate

Răspunsul seismic obţinut în urma analizei dinamice neliniare arată valori mai mici ale deplasărilor maxime la vârf şi ale acceleraţiilor maxime la vârf pentru structura S2 comparativ cu structura S1.

Structura S3 cu disipatori vâscoşi este mai avantajoasă în termeni de acceleraţii absolute maxime la vârf decât cele două structuri clasice (S1,S2) iar în ceea ce priveşte forţa tăietoare de bază şi deplasarea la vârf performanţele ei sunt comparabile cu cele ale structurii S2. Numărul de articulaţii plastice în grinzi pentru structura S3 este redus în comparaţie cu celelalte două sisteme.

Structura S4, cu disipatori vâscoşi amplasaţi în poziţie optimă este cea mai avantajoasă în termeni de acceleraţii maxime la vârf şi forţe tăietoare de bază, în timp ce răspunsul în termeni de deplasări maxime la vârf este comparabil cu cel al structurii S1.

7.3.Concluzii

� Comparând cele două sisteme structurale tradiţionale – cu cadre contravântuite centric (S1) şi cadre contravântuite excentric (S2) putem spune că cel mai avantajos este al doilea (S2) în termeni de ductilitate şi consum de material.

� Cele două sisteme structurale cu disipatori vâscoşi (S3, S4) sunt mai eficiente din punctul de vedere economic decât sistemele clasice, astfel:

• pentru structura S3 consumul de oţel scade cu 13% comparativ cu structura S1 şi cu 8% comparativ cu structura S2.

• pentru structura S4 consumul de oţel scade cu 35% comparativ cu structura S1, scade cu 31% comparativ cu structura S2 şi cu 25% comparativ cu structura S3.

� Răspunsul seismic al structurilor S3 şi S4 este avantajos în special prin faptul că după un seism major disipatorii vâscoşi nu trebuie înlocuiţi datorită capacităţii lor de a reveni la caracteristicile iniţiale.

0

5000

10000

15000

20000

25000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V

FTB

(kN

)

Accelerograma

S1

S2

S3

S4

42

� Disipatorii vâscoşi prezintă avantaje comparativ cu sistemele clasice şi datorită proprietăţii lor de a rămâne neafectaţi pentru un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare. Putem concluziona că cel mai eficient sistem din punctul de vedere economic este cel cu disipatori vâscoşi deoarece structura nu necesită reabilitare după un seism major. Cu toate acestea nu se cunoaşte exact preţul disipatorilor vâscoşi şi nu se poate spune dacă investiţia iniţială este cea mai avantajoasă.

� Dintre sistemele tradiţionale cel cu contravântuiri excentrice pare cel mai avantajos deoarece are un consum mai mic de oţel, o ductilitate mare şi un comportament mai bun la acţiuni dinamice.

CAPITOLUL 8: CONCLUZII, CONTRIBUŢII ŞI DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

8.1. Concluzii

Lucrarea tratează comportarea şi conformarea structurilor metalice multietajate echipate cu dispozitive suplimentare de disipare a energiei seismice. Din multitudinea de tipuri de disipatori de energie au fost aleşi disipatorii vâscoşi, al căror avantaj principal este că după un seism major nu trebuie înlocuiţi datorită capacităţii lor de a reveni la caracteristicile iniţiale. Astfel:

• În vederea limitării avariilor produse de seisme şi pentru a optimiza costurile de execuţie a structurilor noi cât şi a celor consolidate s-a dezvoltat conceptul de control al

răspunsului seismic. Acest control se realizează introducând în structură dispozitive de disipare a energiei seismice (disipatori).

• Procesul de proiectare structurală actual încearcă să ajungă la cerinţele de capacitate si deformabilitate prin mărirea rezistentei structurale. Prin utilizarea dispozitivelor pasive (protecţie pasivă) se foloseşte o abordare opusă şi se încearcă reducerea cerinţelor pe care structura trebuie să le îndeplinească (creşterea amortizării).

• Pe plan internaţional preocuparea privind utilizarea acestor dispozitive inovative este veche, în timp ce pe plan naţional utilizarea disipatorilor de enrgie seismică a început recent iar tendinţa este de aplicare a lor pe scară largă.

• Recomandarile privind calculul şi utilizarea disipatorilor vâscoşi se regăsesc în principal în normele americane FEMA şi recent în cele europene. La noi în ţară se face referire la acest tip de dispozitive doar în normativul P100-3, Anexa F. Lucrarea si-a propus să formuleze recomandări privind utilizarea disipatorilor vâscoşi pentru structuri noi amplasate în ţara noastră realizând o serie de analize statice şi dinamice neliniare pentru structuri cu diferite regimuri de înălţime şi cu diferite nivele de amortizare sulimentară.

• Din punctul de vedere al cantităţii de energie disipată prin componenta vâscoasă (disipatori) se poate confirma recomandarea din normativul P100-3 referitoare la fracţiunea din amortizarea critică ce devine neeconomică pentru valori mai mari decât 30%.

• Nivele suplimentare de amortizare influenţează în primul rând energia indusă în structură şi distribuţia acesteia în forma energiilor componente.

43

• Pentru structurile cu regim mic de înălţime (până la P+10E) procentul optim de amortizare suplimentară se situează în jurul valorii de 25%, iar pentru structurile mai înalte în jurul valorii de 30%.

• În urma analizelor efetuate s-a demonstrat contribuţia disipatorilor vâscoşi asupra îmbunătăţirii răspunsului structural în termeni de deplasări maxime la vârf, acceleraţii absolute maxime la vârf şi forţe tăietoare de bază.

• O problemă studiată intens în ultima perioadă constă în studierea amplasării optime a disipatorilor în structură în scopul obţinerii unor sisteme structurale eficiente atât din punctul de vedere al comportării seismice cât şi al costului.

• În lucrare se propune o metodă pentru amplasarea optimă a disipatorilor în structură, folosind un număr redus de disipatori care poate fi recomandată încă din faza de predimensionare pentru structurile noi. S-a stabilit mai întâi nivelul optim de amortizare suplimentară necesar a fi îndeplinit de disipatori, pentru structuri cu diferite regimuri de înălţime şi diferite sisteme structurale. S-au propus mai multe variante de amplasare a disipatorilor văscoşi pe înălţimea structurii, cea mai avantajoasă rezultând cea de amplasare a dispozitivelor în treimea suprioară atât la structuri în cadre necontravântuite cât şi la structuri în cadre contravântuite centric.

• Analizând sistemele structurale tradiţionale, structuri duale cu cadre necontravântuite şi contravântuite centric şi structuri duale cu cadre necontravântuite şi contravântuite excentric, putem spune că cel de-al doilea este cel mai avantajos deoarece are un consum mai mic de oţel, o ductilitate mare şi un comportament mai bun la acţiuni dinamice.

• Din studiul comparativ între sistemele structurale tradiţionale şi sistemele cu disipatori vâscoşi, putem concluziona că structura cu disipatori de energie vâscoşi realizată conform recomandărilor din normele actuale (cap.7-S3) conduce la un răspuns seismic îmbunătăţit în comparaţie cu structurile clasice din cadre contravântuite centric şi la un răspuns cel puţin la fel de bun cu cel al structurilor clasice din cadre contravântuite excentric, şi având avantajul unei reduceri de material. Dacă în schimb se urmăreşte în principal reducerea consumului de material, pentru structura analizată se poate aplica metoda propusă de poziţionare optimă a disipatorilor în structură (cap.7-S4). Se poate obţine un cost redus al structurii dar fără o reducere semnificativă a răspunsului structural, în termeni de deplasări, în comparaţie cu varianta structurală clasică din cadre contravântuite centric.

• Se poate afirma că disipatorii vâscoşi pot fi utilizaţi cu succes ca dispozitive suplimentare de disipare a energiei seismice pentru strucuturile noi. Disiparea energiei prin incursiuni în domeniul inelastic al anumitor elemente structurale (amortizare naturală şi contravântuiri centrice) este indispensabilă în cazul unui seism major şi din acest motiv disipatorii vâscoşi liniari nu sunt proiectaţi pentru a disipa singuri întreaga energie seismică. Disipatorii vâscoşi aduc amortizare suplimentară structurii fiind foarte utili atunci când se doreşte reducerea deplasărilor, acceleraţiilor datorate acţiunii seismice cât şi reducerea eforturilor din elementele structurale.

44

8.2. Contribuţii personale

Principalele contribuţii personale ale autoarei, prezentate în cadrul tezei de doctorat sunt:

• Realizarea unei clasificări actuale asupra tipurilor de dizpozitive suplimentare de disipare a energiei seismice pe plan naţional şi internaţional

• Prezentarea explicită a modalităţii de calcul a disipatorilor vâscoşi introduşi ca dispozitive suplimentare în structură conform recomandărilor din normelor actuale de proiectare

• Evaluarea performanţelor disipatorilor vâscoşi privind cantitatea de energie disipată şi formularea de recomandări privind stabilirea unui nivel optim de amortizare suplimentară

• Modelarea statistică a rezultatelor analizelor efectuate pentru a putea formula recomandări cât mai generale privind metodologia de utilizare a disipatorilor vâscoşi pentru structuri metalice multietajate amplasate în ţara noastră

• Eficienţa disipatoilor vâscoşi a fost demonstrată prin studii de caz pentru structuri spaţiale cu şi fără disipatori vâscoşi prin efectuarea unor calcule statice şi dinamice neliniare utilizând accelerograme înregistrate şi accelerograme sintetice

• Analiza mai multor tipuri de sisteme de alcătuire structurală din punctul de vedere al consumului de oţel şi formularea unor recomandări privind realizarea unor structuri cât mai eficiente economic

• Propunerea unei modalităţi optime de amplasare a disipatorilor vâscoşi într-o structură metalică multietajată astfel încât costurile structurii să fie cât mai reduse

8.3. Direcţii viitoare de cercetare

Testarea metodei de amplasare optimă propusă pentru un număr mai mare de accelerograme artificiale şi pentru o varietate mai mare de structuri, respectiv pentru structuri neregulate. Pentru metoda propusă se poate determina nivelul de amortizare corespunzător fiecărui mod de vibraţie pentru a verifica dacă nivelul de amortizare obţinut este acelaşi cu cel propus iniţial.

Testarea metodei de amplasare optimă în funcţie de nivelul de amortizare pentru diverse structuri şi compararea acestei metode cu metoda propusă în teză.

Realizarea de studii privind comportarea structurilor duale cu disipatori vâscoşi neliniari şi analizarea posibilităţii realizării unei structuri duale alcătuită din cadre contravântuite excentric şi disipatori vâscoşi.

Studierea amplasării optime a disipatorilor vâscoşi neliniari folosind metodele prezentate şi compararea rezultatelor cu cele obţinute pentru disipatorii vâscoşi liniari.

Realizarea de studii experimentale privind comportarea elementelor structurale înainte şi după adăugarea disipatorilor vâscoşi. Analizarea capacităţii structurilor cu disipatori de revenire la poziţia iniţială după o acţiune seismică severă.

45

Realizarea de studii privind eficienţa disipatorilor privind reducerea răspunsului structural pentru clădiri înalte la acţiunea vântului, şi influenţa amplasării disipatorilor asupra răspunsului structural.

Un subiect deschis rămâne încă obţinerea, pe baza unor studii viitoare pentru o varietate mai mare de structuri, a unei poziţionări optime a dispozitivelor de disipare a energiei în structură. Sunt necesare recomandări, pentru reducerii numărului de disipatori în structură, cu o arie mai mare de acoperire.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

[1]. A. Chopra, „Dinamic of Structures Theory and Application to Earthquake Engineering”, Berkley Prentice-Hall, 1995

[5]. Chesca, A.B., Teza de doctorat, „Utilizarea amortizorilor la realizarea constructiilor si consolidarea structurilor existente din zone seismice”, U.T.C.B., Bucuresti, 2011;

[6]. Climent, A., B., “A new hysteretic damper based on yielding of I-shape sections for seismic protection of buildings”, 14th European Conference on Earthquake Engineering, August 30 – Septembrie 03, 2010

[13]. Florea F.S., Roşu L.E., „Enhanced seismic resistance of steel structures using passive energy dissipation devices”, Proceedings of the 3rd Conference Young Research from TUCEB, ISSN 2069-1796, 2012

[14]. Florea F.S., Roşu L.E., „Seismic Strenghtening of Existing Reinforced Concrete Frames Using Passive Energy Systems”, 11th International Conference on Vibration Problems, Lisbon, Portugal, 9-12 September, 2013

[15]. Florea F.S., Roşu L.E., „Imbunătăţirea răspunsului seismic al unei structuri în cadre din beton armat”, Buletinul Ştiinţific al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, Nr.3,2013

[17]. Ghindea, L., Teza de doctorat, „Studiul unor metode de atenuare a acţiunii seismice asupra construcţiilor”, U.T.C.B., Bucuresti, 2008;

[26]. Khashaee P., Mohraz B., Sadek F., Lew H.S., Gross J.L., „Distribution of Earthquake Input Energy in Structures”, Building and Fire Research Laboratory National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, January 2003

[31]. Occhiuzzi, A., „Additional Viscous Dampers for Civil Structures: Analysis of Design Methods Based on Effective Evaluation of Modal Damping Ratios”,Engineering Structures, 2009, p.1093-1101;

[38]. Roşu L.E., Roşu C.C., „Application of Additional Linear Viscous Dampers Solution For a 6-Storey Steel Structure”, „Ovidius” Univeristy Annals – Constanta, Year XIV, Issue - 14, Octombrie, The 2nd International Conference Water Across Time in Engineering Research, Constanţa, 2012

[39]. Roşu L.E., Florea F.S., Roşu C.C., „Efficiency of using viscous dampers for multi-storey steel structures subjected to seismic actions”, 11th International Conference on Vibration Problems, Lisbon, Portugal, 9-12 September, 2013

46

[40]. Roşu L.E., Roşu C.C., Florea F.S., „Modelarea ca proces stochastic a răspunsului seismic al unui cadru metalic necontravântuit cu şi fără disipatori vâscoşi”, Buletinul Ştiinţific al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, Nr.3, 2013

[41]. Roussis P.C., Constantinou M.C., „Earthquake Simulator Testing of Five-Story Structure With Viscous Damping System”, State University of New York, Buffalo, NY 14260, September 20, 2004

[47]. Vezeanu G., Pricopie A., „Design considerations for buildings with nonlinear viscous dampers”, Technical University of Civil Engineering of Bucharest, Young Researchers Conference, November, 2010

[63]. [web] http://www.alga.it/uploads/473_catalogo_FD_rev4.pdf “Fluid viscous dampers”, Ianuarie 2012

[74]. P100-1/2006 Normativ pentru proiectarea antiseismică a constructiilor de locuinţe, social culturale, agrozootehnice şi industriale, 2006

[76]. SR EN 1993-1.1 – Proiectarea structurilor din oţel - Reguli generale şi reguli pentru clădiri, 2006

[77]. FEMA 356, „Prestandard and Commentary for The Seismic Rehabilitation of Buildings”, Federal Emergency Management Agency,2000;

[78]. SR EN 1998-1. Eurocode 8, „Proiectarea structurilor pentru rezistenţa la cutremur. Partea 1: Reguli generale, acţiuni seismice şi reguli pentru clădiri”, Asociatia de standardizare din Romania, 2004

[80]. FEMA 273 „NEHRP Guidalines for the Seismic Rehabilitation of Buildings”, Federal Emergency Management Agency, Washington D.C., 1997

[87]. P100-3,2008, „Cod de proiectare seismica. Partea I: Prevederi de proiectare pentru cladiri”, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, MTCT, Romania;

Conformarea ş seismice a structurilor meta Conformarea şi ...

Documents

Transcript of Conformarea ş seismice a structurilor meta Conformarea şi ...