Frumosu (Cas. Seiculescu) Diana-Martina - Rezumat

7/30/2019 Frumosu (Cas. Seiculescu) Diana-Martina - Rezumat

http://slidepdf.com/reader/full/frumosu-cas-seiculescu-diana-martina-rezumat 1/38

Universitatea Tehnicade Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII

BUCUREŞTI Facultatea de Construcții Civile, Industriale și Agricole

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

de pre gătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul „Burse doctorale pentru

ingineria mediului construit” , cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB,

proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea

Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul

naţional şi cofinanţat de către UTCB.

TEZĂ DE DOCTORAT(rezumat)

A specte ale comportării la acțiuni seismice

ale structurilor metalice multietajate încadre contravântuite centric prevăzute

cu amortizori și fără amortizori

Doctorand Ing. Diana-Martina FRUMOSU

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Eugen CHESARU

BUCUREŞTI 2011



2

CUPRINS

CUPRINS ............................................................................................................................................ 2

1. CONSIDERAȚII GENERALE ....................................................................................................... 4 1.1 Elemente introductive .......................................................................................................... 4 1.2 Clasificarea structurilor metalice ......................................................................................... 4

1.2.1 Cadre necontravântuite ............................................................................................ 4 1.2.2 Cadre contravântuite centric .................................................................................... 5 1.2.3 Cadre contravântuite excentric ................................................................................ 5 1.2.4 Structuri duale .......................................................................................................... 5

2. CADRE CONTRAVÂNTUITE CENTRIC .................................................................................... 6 2.1 Evoluția structurilor multietajate în cadre contravântuite centric solicitate la încărcări

seismice ...................................................................................................................................... 6 2.1.1 Scurt istoric al structurilor metalice ......................................................................... 6 2.1.2 Structuri în cadre contravântuite centric solicitate seismic de-a lungul timpului ... 6 2.1.3 Stadiul actual pe plan național și internațional ........................................................ 7

2.2 Tipuri de contravântuiri centrice .......................................................................................... 7 2.3 Comportarea la solicitări ciclice......................................................................................... 10 2.4 Criterii de proiectare pentru structuri disipative ................................................................ 10

3. TIPURI DE SISTEME DE CONTROL ALE RĂSPUNSULUI STRUCTURAL ........................ 12 3.1 Sisteme de control pasive ................................................................................................... 12

3.1.1 Amortizori metalici ................................................................................................ 13 3.1.2 Amortizori cu fricțiune (frecare)............................................................................ 14 3.1.3 Amortizori vâscoși ................................................................................................. 15 3.1.4 Amortizori vâscoelastici ........................................................................................ 15 3.1.5 Pereți cu amortizare vâscoasă ................................................................................ 16 3.1.6 Contravântuiri cu flambaj împiedicat .................................................................... 17

3.2 Sisteme de control active ................................................................................................... 18 3.3 Sisteme de control hibride .................................................................................................. 19 3.4 Sisteme de control semi-active ........................................................................................... 19

4. EXPERIMENTE CE PU N ÎN EVIDENȚĂ COMPORTAREA DISIPATIVĂ A CADRELORCU AMORTIZORI ............................................................................................................................ 20

4.1 Aspecte generale ................................................................................................................ 20 4.2 Conceptul și metoda experimentului .................................................................................. 20 4.3 Metoda de testare .............................................................................................................. 20 4.4 Caracteristicile structurii .................................................................................................... 20 4.5 Caracteristicile amortizorilor ............................................................................................. 21 4.6 Elementele structurii .......................................................................................................... 22 4.7 Rezultatele testelor ............................................................................................................. 22 4.8 Concluzii ............................................................................................................................ 24



3

5. ANALIZĂ COMPARATIVĂ ÎNTRE O STRUCTURĂ NECONTRAVÂNTUITĂ ȘI MAIMULTE TIPURI DE STRUCTURI CONTRAVÂNTUITE CENTRIC PREVĂZUTE CU AMORTIZORI ȘI FĂRĂ AMORTIZORI ........................................................................................ 25

5.1 Descrierea structurilor ........................................................................................................ 25 5.2 Rezultate obținute............................................................................................................... 27

5.2.1 Analiza static neliniară .......................................................................................... 28 5.2.2 Analiza dinamic neliniară ...................................................................................... 29 5.2.3 Consumul de material ............................................................................................ 31

5.3 Concluzii ............................................................................................................................ 32 6. CONCLUZII FINALE .................................................................................................................. 33

6.1 Contribuții personale .......................................................................................................... 33 6.2 Continuarea cercetărilor ..................................................................................................... 34

ANEXA A. EXEMPLU DE CALCUL PENTRU O STRUCTURĂ CU DISIPATOR I CUFRECARE ......................................................................................................................................... 34 BIBLIOGRAFIE ............................................................................................................................... 35



4

1. CONSIDERAȚII GENERALE

1.1 Elemente introductive

Structurile metalice multietajate sunt folosite de mai bine de 40 de ani la realizareaconstrucțiilor civile. În urma cutremurelor din Statele Unite (Northridge 1994) și Japonia (Kobe1995) s-a evidențiat vulnerabilitatea acestora, cât și eficiența lor comparativ cu alte tipuri destructuri și astfel s-a impus realizarea unui studiu amplu de cercetare pe plan mondial. Normeleși codurile de proiectare în urma cercetărilor efectuate s-au îmbunătățit cu diferite măsuri și principii de protejare ale construcțiilor de efectele produse de viitoarele seisme [58][3]. Normeleactuale în Europa propun proiectarea structurilor pe baza cerinţelor fundamentale (criterii de performanţă) [58]. Acestea sunt: cerința de siguranță a vieții, cerința de limitare a degradărilor iar în normele din SUA [53] se mai prevede și nivelul operațional, în care nu se întrerupefuncționalitatea structurii.

1.2 Clasificarea structurilor metalice

Cadrele structurilor metalice sunt de mai multe tipuri, în funcţie de sistemul de alcătuire șide comportarea structurii de rezistenţă sub acţiunea seismică, o parte din acestea sunt prezentate în figura 1.1 [58]. Fiecare dintre acestea are un comportament diferit la solicitările produse deseism.

a) Cadru necontravântuit b) Cadru contravântuitcentric

c) Cadru contravântuitexcentric

d) Cadru cu pereți deforfecare

Figura 1.1: Exemple de tipuri de cadre ale structurilor metalice

1.2.1 Cadre necontravântuiteCadrele necontravântuite (Figura 1.1 a) reprezintă un ansamblu format din grinzi și stâlpi.

Acestea preiau forțele seismice orizontale prin încovoiere, iar energia este disipată prinîncovoiere ciclică.

Cadrele necontravântuite trebuie proiectate astfel încât articulațiile plastice să se formezeîn grinzi fără a se forma în stâlpi cu excepția parții inferioare a stâlpului de la bază, și părții



5

superioară a celui de la ultimul nivel [11]. Pentru aceasta, îmbinările grinzilor cu stâlpii trebuiesă lucreze în domeniul elastic pe toată durata de acțiune a seismului conform P100-1/2006.

1.2.2 Cadre contravântuite centric

Cadrele contravântuite centric (Figura 1.1 b) sunt alcătuite din stâlpi, grinzi și diagonalefixate centric la noduri formând o grindă cu zăbrele verticală care preia încărcările laterale [52],reducând deplasările orizontale cu cel puțin 75-80% [14].

Cadrele contravântuite centric preiau forțele orizontale din seism prin forțe axiale iar disiparea energiei se realizează prin î ntinderea contravântuirilor și în unele cazuri princomprimarea acestora [11].

Cadrul contravântuit centric este format dintr-un cadru necontravântuit la care i s-auamplasat diagonale conferind astfel sistemului o bună rezistență și rigiditate dar o slabăductilitate.

1.2.3 Cadre contravântuite excentric

Cadrele cu contravântuiri excentrice (Figura 1.1 c) sunt formate din stâlpi, grinzi șidiagonale excentrice la noduri ce preiau forțele orizontale din seism prin bare lucrând la forțeaxiale, iar structura trebuie astfel proiectată încât barele disipative (link-urile) să fie capabile sădisipeze energia prin deformații din încovoiere și/sau de f orfecare.

1.2.4 Structuri duale

Structurile duale sunt formate din cadre contravântuite și cadre necontravântuite, acesteaasigurând atât o bună rezistență, o bună rigiditate cât și o mai bună ductilitate. Pentru acest tip de structură cadrele necontravântuite trebuie proiectate astfel încât să poată

prelua cel puțin 25% din acțiunea seismică de calcul, în situația în care se consideră ieșirea dinlucru a cadrelor contravântuite [58].



6

2. CADRE CONTRAVÂNTUITE CENTRIC

2.1 Evoluția structurilor multietajate în cadre contravântuite centric solicitatela încărcări seismice

2.1.1 Scurt istoric al structurilor metalice

În Statele Unite ale Americii până la apariția cutremurului din San Francisco 1906 deșistructurile metalice au avut o comportare bună s-a observat că acestea nu au fost construite săpreia acțiunea produsă de seism. Reglementările cu privire la calculul seismic la structurile încadre contravântuite, au fost introduse treptat în norme începând cu anii 1970 [51].

În Japonia noțiunea de seism a fost utilizată în norme după producerea seismului de laKanto 1923 și anume prin introducerea unor coeficienți ce reprezentau procente din greutateastructurii. În 1927 procentul a avut valoarea de 0,1 și de asemenea s-a stabilit limitarea înălțimiiconstrucțiilor până la 30m [12].

După apariția cutremurului din 1940 în Romania cu o magnitudine Gutenberg-Richter deM=7,4 s-a observat vulnerabilitatea construcțiilor la forțele laterale produse de seism și astfel auapărut preocupările inginerilor români pentru studiul ingineriei seismice.

În 1930 a apărut conceptul de spectru de răspuns și de deformare plastică utilizată îningineria seismică în lume [21].

2.1.2 Structuri în cadre contravântuite centric solicitate seismic de-a lungultimpului

Până în anii 1994 pentru proiectarea cadrelor contravântuite centric în zonele seismice s-aurmărit: să se mențină structura în stadiu elastic cât mai mult cu putință și să se îmbunătățeascăcomportarea structurii și contravântuirilor în stadiul inelastic.

După producerea cutremurelor din Statele Unite (Northridge) 1994 și Japonia (Kobe) 1995unde au avut loc multe pierderi de vieți omenești cât și pierderi materiale substanțiale, s-aconstatat că menținerea structurii în stadiu elastic este o soluție nerațională deoarece esteneeconomică [30], astfel ulterior au fost î mbunătățite standardele de proiectare și s-a introdus unnou concept și anume conceptul de performanță.

Eurocode 8 propune în baza conceptului de performanță, pentru structurile aflate în zone

seismice, protejarea vieților omenești prin verificarea la stări limită ultime (ULS) și limitareaavariilor, iar structurile importante pentru protecția civilă să rămână funcționale prin verificareala stări limită de serviciu (SLS) [55].

Îmbunătățirea comportării structurilor la acțiunea seismică a condus la apariția deconfigurații noi cum ar fi cadrele ZIP, STG și de asemenea folosirea unui număr mai mare desisteme de control și îmbunătățirea acestora [9] .



7

2.1.3 Stadiul actual pe plan național și internațional

Studiile de actualitate pe plan internațional se referă la implementarea de sisteme noi deamortizare pasive (amortizorul tub în tub [5], un nou tip de amortizor cu frecare [31], un nou tipde amortizor vâscos [23], sisteme hibride cu TMD [4], un sistem hibrid cu izolatori de bază și

amortizori cu frecare [38], amortizori semi-activi cu TMD cu frecare [28]), la îmbunătățireacunoașterii comportamentului structurilor ( pentru o structură necontravântută la care au fostimplementate contravântuiri centrice de diferite tipuri [40], cu cadre de tip ZIP [47]), studiiexperimentale corelate cu modelare pe calculator ( pentru o structură contravântuită ce conțineamortizori vâscoși neliniari [29], pentru o structură de 5 niveluri la scară naturală prevăzută cudiferite tipuri de disipatori pasivi [25]).

Pe plan național s-au realizat studii referitoare la: analize comparative a performanţelorunor structuri cu contravântuiri centrice și a unor structuri cărora li s-au adăugat disipatori deenergie prin frecare şi vâscoşi modelate cu ajutorul unui program de calcul automat [44],realizarea unei metode simplificate de proiectare pentru construcții metalice cu amortizorivâscoși neliniari [45], comportarea dispozitivelor telescopice SERB pentru consolidarea uneistructuri existente [41], prezentarea soluției adoptate pentru consolidarea unei structuri cuamortizori cu fluid vâscoși [24], un studiu experimental pentru un cadru contravântuit centric prevăzut cu amortizori cu frecare SERB [25], realizarea unui amortizor semi-activ cu amortizarevâscoasă [36].

2.2 Tipuri de contravântuiri centrice

Cadrele contravântuite centric poartă această denumire datorită diagonalelor centrate la

noduri. Calitatea răspunsului seismic pentru structurile cu contravântuiri centrice depinde de performanța contravântuirii. Dimensionarea diagonalei trebuie astfel făcută încât aceasta săcedeze prima [8].

Cadre cu contravântuiri diagonale

a) b)

Figura 2.1: Cadre cu contravântuiri diagonale



8

Cadrul cu contravântuiri diagonale (Figura 2.1) disipează energie prin întindereadiagonalei. Grinzile nu preiau nici o încărcare din contravântuire, aceasta se transmite direct lastâlpi. Stâlpii a căror diagonală se prinde de partea superioară a acestora sunt solicitați la eforturiaxiale mai mari decât cei care se prind de aceeiași diagonală la partea inferioară, deoarece aceștia preiau și efortul din diagonală.

Cadre cu contravântuiri în V și cadre cu contravântuiri în V cu bară verticală de legătură

Figura 2.2: Cadre cu contravântuiri în V Figura 2.3: Cadre cu contravântuiri în V cu barăverticală de legătură

Cadrele cu diagonale în V (Figura 2.2) sunt o variantă a cadrelor cu diagonale în Vinversat (Figura 2.4) și disipează enegie atât prin comprimarea diagonalei cât și prin întindereaacesteia. Avantajul cadrelor cu diagonale în V este acela, că forțele gravitaționale vor induce oforță de întindere în diagonale și vor întârzia apariția pierderii stabilității. Dacă se va consideraavantajos pentru proiectare, se poate considera reazem pentru grindă intersecția grinzii cudiagonalele [27].

Cadrele cu contravântuiri în V cu bară verticală de legătură (Figura 2.3), sunt o variantă acadrelor STG (Figura 2.5) și disipează energie prin întinderea diagonalei. Au încărcări axialemai mari în stâlpi decât structurile STG deoarece eforturile axiale de compresiune din diagonalegenerate de acțiunile gravitaționale încarcă suplimentar stâlpul central [27]. Încărcările axiale alestâlpilor centrali sunt mult mai mici decât ale celor marginali.

Cadre cu contravântuiri în V inversat (chevron), cadre STG și cadre ZIP

Structurile în V inversat (Figura 2.4) se bazează atât pe diagonala întinsă cât și pe ceacomprimată pentru disiparea energiei. În timpul cutremurelor, cadrele în V inversat pot aveadeformații mari. Ele, de asemenea, sunt mai predispuse la drifturi mari de etaj decât alte tipuri destructuri [43]. Eforturile axiale din stâlpi sunt mai reduse decât la cadrele cu contravântuiri în V(Figura 2.2). Sistemele nu au o ductilitate mare deoarece flambajul diagonalelor duce la pierderea rapidă de rigiditate fără redistribuirea forţei. Acest lucru se datorează în primul rând



9

forţelor neechilibrate verticale care apar la conexiunile cu grinda din cauza capacităţii axialeinegale la întindere și compresiune.

Figura 2.4: Cadre cu contravântuiri în V inversat

Figura 2.5: Cadre cucontravântuiri STG

Figura 2.6: Cadre cucontravântuiri ZIP

Efectul produs de forţa verticală neechilibrată poate fi atenuat prin adăugarea unor stâlpicentrali, aşa cum a propus Khatib și alții [26] rezultând cadre STG (Figura 2.5) sau respectiv ZIP(Figura 2.6).

Configurațiile ZIP (zipper) din figura 2.6, sunt similare cu cele STG exceptând faptul că bara comprimată de la primul etaj este eliminată. Această configurație încearcă să lege toate punctele de intersecție grindă-contravântuire pentru a forța toate diagonalele comprimate, dintr-o deschidere contravântuită, să flambeze simultan și prin aceasta să disipeze energia pe întreaga înălțime a structurii.

Cadre cu contravântuiri în X și cadre cu contravântuiri în X pe două niveluri

Figura 2.7: Cadre cu contravântuiri în X Figura 2.8: Cadre cu contravântuiri în X pe douăniveluri

Contravântuirile în X (Figura 2.7) și X pe două niveluri (Figura 2.8) disipează energia prin plastificarea diagonalelor care sunt alternativ întinse. Degradarea se produce atât la o diagonalăcât și la cealaltă prin pierderea stabilității generale și locale datorită compresiunii acestora [11].



10

Contravântuirile în X sunt cele care se preferă cel mai mult deoarece au o comportareasemănătoare cu a grinzilor cu zăbrele și o curbă histeretică mai stabilă, de asemenea se evităformarea de moment mare în grindă și permit formarea unui mecanism de plastificare între etajeadiacente după ce diagonalele au flambat. Diagonalele cadrelor cu contravântuiri în X se prindde stâlpi cu gusee, în timp ce contravântuirile cadrelor în V și X pe mai multe etaje se prind de

asemenea și cu prinderi la mijlocul grinzilor cu gusee producând o deformare suplimentară [48].Din păcate, cadrele cu diagonale în X pe un nivel față de cele pe două niveluri se folosesc

mai rar deoarece acestea incomodează în poziționarea de goluri de uși și ferestre.

2.3 Comportarea la solicitări ciclice

Contravântuirile sunt recunoscute a fi o sursă principală de disipare a energiei provenitădin seism pentru structuri cu contravântuiri centrice prin solicitări ciclice. Comportareadiferitelor structuri la solicitări ciclice, cât și a disipatorilor amplasați pe structură este

evidențiată prin curbele histeretice. Cu cât f orma buclei histeretice este mai stabilă cu atâtcomportarea structurii la solicitări ciclice este mai bună [11], ea depinzând de mai mulțiparametrii.

Cei trei parametrii care afectează curba histeretică sunt [46] : coeficientul de zveltețe (λ),condițiile de capăt (k) și forma secțiunii (I, A).

r

kL

I

AkL (2.1)

unde: k - coeficient de flambaj, L - lungimea barei, A - aria secțiunii, I - momentul de inerție șir - raza de girație.Coeficientul de zveltețe este considerat cel mai important parametru, deoarece are o

influență dominantă în comportamentul seismic al cadrelor contravântuite [37]. Forma bucleihisteretice pentru barele cu zveltețe mai scăzută este mai curbată decât a diagonalelor mai zvelte.De aceea elementele mai puțin zvelte au o comportare inelastică mai bună decât cele zvelte.

Modul de dispunere al diagonalelor într-un cadru influențează și el comportamentul lasolicitări ciclice.

2.4 Criterii de proiectare pentru structuri disipative

Structurile amplasate în zone seismice pot fi proiectate în două feluri având : o comportare

slab-disipativă a structurii sau o comportare disipativă a structurii.Deosebirea între o comportare a structurii disipativă și nedisipativă constă în ductilitatea

structurii. Ductilitatea reprezintă capacitatea structurii de a se deforma în domeniul plastic fară aavea o reducere semnificativă a capacității portante și joacă un rol esențial în evitarea colapsuluistructural în urma acțiunii seismice. Structura ductilă poate prezenta deformații semnificative înainte de cedare prezentând un sistem de avertizare înainte de colaps prin deformare excesivăvizibilă. Ductilitatea permite redistribuirea tensiunilor în elemente continui și în puncte unde



12

3. TIPURI DE SISTEME DE CONTROL ALE RĂSPUNSULUISTRUCTURAL

Din cauza activității seismice intense din ultimii ani au avut loc pierderi considerabile de vieți

omenești și materiale. Astfel, interesul studiilor în domeniu a crescut considerabil și a urmat oîmbunătățire a controlului structural (modificarea proprietăților dinamice ale structurii pentru areduce răspunsul dinamic) prin normele de calcul seismic, moduri de dispunere a elementelor înstructură cât și introducerea unor mecanisme speciale (sisteme de control) în structură, cu rolulde a absori și/sau disipa energia indusă de acțiunea seismică.

Sistemele de control se împart în patru categorii: pasive, active, hibride și semi-active.Clasificarea sistemelor de control este prezentată în figura 3.1.

Figura 3.1: Clasificarea sistemelor de control [35]

3.1 Sisteme de control pasive

Definiție. Un sistem de control pasiv const ă din unul sau mai multe dispozitive, atașate sau

înglobate în structur ă care nu necesit ă o sursă de putere externă pentru punerea sa în funcțiune

și utilizează mi șcarea structurii pentru producerea forțelor controlate [35].

Sistemele de control pasive au rolul de a reduce o mare parte din energia indusă decutremur, concentrând disiparea de energie în dispozitive de amortizare, fie în izolatori de bază ce decuplează legătura între teren și structură, reducându-se astfel eforturile din elementelestructurale principale. În acest fel sunt protejate elementele structurale principale (stâlpi și grinzi)[10].

Sistemele de control pasive se împart în :- sisteme de izolare seismică a bazei, constau în decuplarea legăturilor dintre fundație și

CONTROL STRUCTURAL

Controlasiv

Controlactiv

Controlhibrid

Izolarea bazei

Amortizori asivi

Sisteme cu masă acordată

Controlsemi-activ



13

suprastructură, și implementarea între acestea, dispozitive ce permit deplasarea fundației împreună cu terenul de fundare, în timp ce suprastructura va rămâne în repaos datorită inerțieisale [35];- sisteme cu masă acordată pasivă (TMD) [35], este un sistem format dintr-o masă, un arcinstalate de obicei pe vârful clădirii, reducând vibrația structurii;

- amortizori pasivi, au rolul de a disipa sau absobi energia indusă în structură de vânt și deseism

Amortizorii pasivi prezentați în lucrare sunt de mai multe tipuri: amortizori metalici,amortizori cu fricțiune, amortizori vâscoși, amortizori vâscoelastici, pereți cu amortizarevâscoasă și contravântuiri cu flambaj împiedicat.

3.1.1 Amortizori metalici

Amortizorii metalici (Figurile 3.2 și 3.3) sunt de regulă realizați din oțel iar forma pe care

o au este de așa natură, încât, în urma unui seism major acestea se deformează foarte mult,neputând reveni la forma inițială. Astfel prin deformarea inelastică a amortizorului metalic, seconsumă o parte din energia pe care seismul o imprimă în structură.

Aceste sisteme prezintă o curbă histeretică stabilă datorită comportării oțelului în domeniulpost-elastic, permițând un număr relativ mare de cicluri încărcare-descărcare. Au o durabilitate pe termen lung, și o bună rezistență la mediu și la factorul temperatură [2].

Amortizorul poate avea diferite forme: în X, triunghiulare, pivot, semilună, fluture, șină etc.. Cele sub formă de X, de exemplu, se amplasează la intersecția diagonalelor în V inversat.În timpul unui seism, diagonalele se întind și se com primă, trăgând și împingând amortizorul,care în urma unui număr de cicluri se deformează.

Figura 3.2: Element în X de tip ADAS Figura 3.3: Element triunghiular de tip TADAS

Avantajele utilizării disipatorilor metalici se datorează unei stabilități și durabilități ridicate, prezintă cicluri stabile pentru curba histeretică, în urma schimbărilor condițiilor mediului înconjurător au un comportament favorabil. Au o capacitate mare de disipare de



14

energie pentru deplasări relativ mici. Elementele se pot monta și înlocui ușor. Prezintă deasemenea o comportare multi-direcțională și costul cel mai redus dintre toate tipurile deamortizori pasivi.

Un dezavantaj al folosirii acestor dispozitive poate fi datorat ductilității dispozitivului careeste puternic influențată de forma acestuia iar în cazul sudurilor, acestea au o comportare casantă

[32]. Necesită cheltuieli de întreținere, iar după un seism major acestea trebuie înlocuite.

3.1.2 Amortizori cu fricțiune (frecare)

Amortizorii cu fricțiune (frecare) sunt dispozitive histeretice ce disipează energia prinfrecarea a două sau mai multe suprafețe de contact (Figurile 3.4 și 3.5), fixate strâns cu buloanede înaltă rezistență, care alunecă unele în raport cu altele la o forță predeterminată (slip load),dependentă de caracteristicile dinamice ale terenului din zona amplasamentului construcției [3].Acești amortizori pot disipa o mare cantitate de energie prin frecarea dintre suprafețele glisante.

Există mai multe tipuri de amortizori cu fricțiune, având diverse materiale folosite pentrusuprafețele de frecare, cum ar fi oțel pe oțel sau oțel pe alamă sau alte materiale, sau conformnumelor autorilor de brevete de invenție și anume : Pall (inventator canadian), Sumitomi (firmă japoneză Sumitoro Metal Industries), Damptech (firmă daneză), SERB etc. Toate acestea cuexcepția: Legătur ii exterioare de energie Fluor Daniel (EDR-Energy Dissipating Restraint) șiSERB, generează curbe histeretice dreptunghiulare.

Figura 3.4: Detaliu de amortizor cu fricțiune [34] Figura 3.5: Detaliu de amortizor cu fricțiune Pall [33]

Amortizorul cu fricțiune are multe avantaje și anume: are un mecanism simplu derealizare și implementare în structură, cost foarte redus de realizare și instalare , posibilitatea deamplasare în structuri de beton, metal, lemn, zidărie. Din experimente [34] s-a constatat căsuportă multe cicluri încărcare-descărcare, având un comportament histeretic dreptunghiularstabil și forța maximă de frecare poate fi ușor modulată prin ajustarea forței normale ce



15

acționează pe suprafețele de frecare. Prezintă o sensibilitate scăzută la schimbările condițiilor demediu. Printre dezavantaje se pot enumera: necesitatea unei întrețineri regulate, datorită faptuluică prin utilizare, interfața de frecare poate suferi modificări și implicit rezultă modificări încomportarea sistemului. Un alt dezavantaj al acestui sistem este dificultatea identificării forței defrecare după instalare [32].

3.1.3 Amortizori vâscoși

Amortizorii vâscoși (Figura 3.6) sunt considerați în prezent cei mai eficienți în preluareaunei mari părți din energia indusă de seism. Aceștia au capacitatea de a disipa aproape întreagaenergie seismică, permițând structurii să lucreze în domeniul elastic în timpul seismului [32].

Amortizorii vâscoși funcționează prin rezistența opusă la mișcarea unui piston perforat într-un fluid conținut într -un cilindru metalic, absorbind în felul acesta șocurile.

Figura 3.6: Alcătuirea unui amortizor cu fluid vâscos [59]

Avantajele utilizării amortizorilor vâscoși se datorează unei curbe histeretice stabile, prezintă o stabilitate și o durată de viață ridicată, sunt ușor de implementat. Au o sensibilitatelimitată la schimbarea condițiilor de mediu. Au o dependență moderată de temperatură. Potdisipa cantități mari de energie.

Printre dezavantajele utilizării se numără necesitatea unei viteze mari pentru o comportareoptimă, f luidul din interiorul amortizorului se uzează și are o durată de valabilitate limitată, multmai mică decât structura. Este necesară o forță de revenire [32]. Disipatorii vâscoși nu aduc

rigiditate structurii, ci doar amortizare. Costul este mai ridicat ca la celelalte sisteme.

3.1.4 Amortizori vâscoelastici

Amortizorii vâscoelastici sunt sisteme de plăci metalice separate prin straturi de polimeri,care disipează energia prin deformația din forța tăietoare a acestori polimeri [22]. Disiparea areloc când vibrația structurii induce mișcarea relativă între plăcile metalice [42].



16

Disipatorii vâscoelastici, cresc amortizarea structurii cât și rigiditatea laterală a acesteia.Eficiența acestora depinde de frecvența excitației cât și de temperatura mediului ambiant la carelucrează. Cu cât crește temperatura, energia disipată scade proporțional.

Figura 3.7: Detaliu de disipator de energie vâscoelastic[22]

Figura 3.8: Mexico City, Mexic – utilizare disipatorvâscoelastic [1]

Amortizorii vâscoelastici dezvoltă forțe proporționale cu viteza de deformare și curigiditatea lor elastică (Figura 3.7) [22]. Este o combinație între un amortizor vâscos și un resortelastic. Costul este mai redus decât al amortizorilor vâscoși. Depind foarte mult de temperaturamediului, au o forță și o capacitate mai redusă de amortizare.

3.1.5 Pereți cu amortizare vâscoasă

Peretele cu amortizare vâscoasă este un sistem structural de înălțimea unui nivel cecuprinde pe fețele exterioare cuve plate din oțel umplute cu un fluid vâscos care este rigidizat cugrinzi la partea superioară și inferioară. Sistemul atenuează oscilațiile seismice prin intermediulfluidului vâscos [32].

Utilizarea pereților (Figurile 3.9 și 3.10) cu fluid vâscos la repararea și consolidareaconstrucțiilor existente se folosește deoarece, se pot monta destul de ușor, pot controla răspunsulstructural și pot disipa energia seismică, spre deosebire de alte sisteme de consolidare cum ar fi pereții structurali care implică intervenții dificile la structuri având costuri ridicate. Acest sistemcu pereți amplifică rigiditatea laterală, micșorează perioada ei proprie de vibrație, măresc forțaseismică iar deplasările pe nivel cresc [13]. Un dezavantaj major este închiderea unui ochi decadru.



17

Figura 3.9: Schemă perete cu amortizare vâscoasă [32] Figura 3.10: Perete cu amortizare vâscoasă [1]

3.1.6 Contravântuiri cu flambaj împiedicat

Aceste diagonale (Figura 3.11) reprezintă alternativa îmbunătățită a contravântuirilor obișnuite. Marele dezavantaj al diagonalelor obișnuite este pierderea de rezistență și rigiditatedin cauza eforturilor neechilibrate de întindere și compresiune. Contravântuirile cu flambajîmpiedicat au o curbă histeretică echilibrată, curba la întindere fiind similară cu cea dincompresiune.

Figura 3.11: Contravântuire cu flambaj împiedicat -tipuri de secțiuni [39]

Figura 3.12: 222 Main Office Building,Salt Lake City, Utah, SUA -utilizare [50]

Utilizarea amortizorilor cu flambaj împiedicat se datorează costului relativ scăzut, ușurințăla montaj și adaugă rigiditate structurii.



18

Un dezavantaj major al acestor sisteme este că în urma unui seism pot apărea deformațiiremanente și trebuie înlocuite. O altă problemă ar fi că miezul nu este vizibil pentru o inspecțiedeoarece este închis în beton și vizual nu se poate observa dacă este deteriorat sau nu.

3.2 Sisteme de control active Definiție. Un sistem de control activ este definit ca un sistem care necesită o sursă de

putere externă mare în scopul de a controla actuator ii care aplică forțe de control într -o

manieră prescrisă [35].Amortizorii activi spre deosebire de cei pasivi se deosebesc prin înlocuirea de dispozitive

inerte (izolatori, disipatori sau masă acordată) cu mecanisme (actuatori) ce necesită o sursă deenergie, astfel reușesc să împingă structura în sens invers acțiunii forțelor laterale, senzorii suntinstalați pentru a se cunoaște starea structurală în timp real apoi această informație este procesatăde un aparat de comandă (calculator) ce indică ordinea precisă de funcționare a actuatorilor,

pentru ca structura să-și minimizeze răspunsul. Sisteme active [7]: masă acordată activă, amortizori activi, amortizori cu masă lichidăacordați, materiale inteligente (piezoelectrice, fluide electroreologice, magnetoreologice, etc).

Dezavantajul major al acestui sistem este costul ridicat atât pentru pentru implementareasistemului cât și pentru exploatarea acestuia, de asemenea o pro blemă ar putea apărea dacă s-arîntrerupe curentul în timpul unui cutremur, dar aceasta fiind totuși rezolvabilă prin cuplareasistemului la un generator de curent independent care are puterea de a alimenta cu energiesistemul pe perioada acţiunii sesimice [35].

Figura 3.13: Clădirea Kyobashi Seiwa – prevăzută cu amortizor activ [35]



19

3.3 Sisteme de control hibride

Definiție. Un sistem de control hibrid implică folosirea combinată a sistemelor de control

activ și pasiv sau a două sisteme pasive [35].Un sistem de control hibrid implică funcționarea unui dispozitiv de control activ în scopul

îmbunătățirii și suplimentării performanțelor unui sistem de control pasiv sau prin introducerea adouă sisteme de control pasiv cum ar fi izolatorii de bază și amortizorii pasivi. Diferențaesențială între un sistem de control activ și unul hibrid este cantitatea de energie externă necesară pentru generarea controlului [35].

Sistemele de control hibride sunt printre cele mai de actualitate studii în domeniu; nișteexemple de sisteme de control hibride sunt: disipator hibrid de tip pendul cu masă acordată,disipator pasiv cu masă acordată pe care este instalat un sistem cu masă inerțială activă, sistemehibride cu TMD, sistem hibrid cu izolatori de bază și amortizor i cu frecare [38].

3.4 Sisteme de control semi-active

Definiție. Un sistem de control semi-activ este definit ca un sistem care are nevoie de

energie numai pentru a- și schimba proprietățile mecanice și a dezvolta forțe de control contrare

mișcării structur ii [35].Dispozitivele de control semi-active nu pot introduce energie în structură, dar sunt capabile

să schimbe rigiditățile și coeficienții de amortizare ai unei structuri. În afară de aceasta, forțele decontrol într-un sistem de control semi-activ sunt întotdeauna în direcția opusă mișcării sistemuluistructural și prin urmare promovează stabilitatea generală a structurii [35].

Sistemele de control semi-active, în momentul de față, sunt printre cele mai studiate

sisteme de control, niște exemple de sisteme de control semi-activ sunt: dispozitive hidraulice cuorificiu variabil, dispozitive semi-active cu fricțiune, dispozitive semi-active cu masă acordată,dispozitive semi-active cu lichid acordat, dispozitive semi-active cu coloane de lichid acordat,amortizori semi-activi cu amortizare variabilă.



20

4. EXPERIMENTE CE PUN ÎN EVIDENȚĂ COMPORTAREADISIPATIVĂ A CADRELOR CU AMORTIZORI

4.1 Aspecte generale

Experimentul prezentat a fost preluat din lucrarea "Teste de performanţă de mareanvergură a unei construcții de 5 niveluri cu diferiți amortizori disponibili în comerţ " ("Full-scale tests on value-added performance of 5-story building with various dampers commerciallyavailable"), parte a NEES/program de cercetare E-Defense pe structuri de oţel (NEES/E-Defensecollaborative research program on steel structures). Liderul echipei japoneze pentru întregproiectul şi liderul grupului de lucru este Kazuhiko Kasai, de la Institutul TehnologicTokyo [25].

Acest capitol prezintă conceptul de testare, metoda și rezultatele testului cât și detaliileunei clădiri metalice de 5 niveluri (P+4) prevăzută cu disipatori supusă la acțiunea seimică de laKobe din 27 ianuarie 1995 înregistrată la stația Takatori.

4.2 Conceptul și metoda experimentului

Modelul este conceput pentru a fi o "clădire de mare importanță" ale căr or componentestructurale şi nestructurale sunt protejate la un seism major. Unghiul de rotire în codul japonezeste necesar să nu depăşească 0.005 (=1/200) radiani pentru clădiri obișnuite, pentru acest caz selimitează la 0.01 (=1/100) radiani, astfel structura să rămână aproape în stadiul elastic decomportare.

4.3 Metoda de testare

Obiectivul testului de faţă este de a valida fiabilitatea tehnologiei de control pasiv pe bazaunor experimente realiste. În experiment au fost folosite patru tipuri de amortizori pasivi. Dinconsiderente economice, aceeași clădir e a fost testată în mod repetat, introducând şi înlocuindfiecare dintre tipurile de amortizori. În acest sens, elementele cadrului tre buie să fie menţinuteaproape elastic, fără deformări reziduale mari. La finalul experimentului s-a testat clădirea fărăamortizori, rezultând o structură necontravântuită, pentru a se vedea eficiența utilizăriiamortizorilor. Cea necontravântuită s-a estimat că va suferi deformări semnificative, ceea ce s-ași întâmplat.

4.4 Caracteristicile structurii

Aşa cum este prezentat în figurile 4.1 și 4.2, clădirea are 5 niveluri, cu două deschideri pefiecare direcţie. Dimensiunea în plan este de 10m x 12m, iar înălţimea totală de la suprafaţasuperioară a fundaţiei rigide este 15.8 m (Figura 4.2). Greutatea este de 4730 kN, inclusiv toateelementele structurale, nestructurale și o parte din încărcările exterioare.



21

Figura 4.1: Vedere în plan Figura 4.2: Structura testată

4.5 Caracteristicile amortizorilor

În clădire au fost amplasați 12 amortizori (Figura 4.3) de acelaşi tip cu trei-patrudimensiuni diferite. Fiecare tip de amortizor de trei dimensiuni diferite a fost testat dinamic laTokyo Institute of Technology. Capacitatea amortizorilor a variat între 500 kN la 1500 kN.

Figura 4.3 : Configurații ale diagonalelor cadrelor prevăzute cu amortizori (a) amortizor cu flambaj împiedicat, (b) amortizor cu ulei, (c) amortizor vâscos, (d) amortizor vâscoelastic

Amortizorii vâscoși neliniari utilizați folosesc rezistența fluxului unui polimer lichid acăr ui forţă este proporţională cu o fracțiune din viteza efortului de solicitare.



22

Amortizorii vâscoși liniari (amortizorii cu ulei) folosesc rezistența fluxului unui ulei cuvâscozitate redusă, utilizând un mecanism pentru a reduce coeficientul de vâscozitate cândamortizorul este supus la o viteză mare.

Amortizorii vâscoelastici folosesc mișcarea moleculară a unui polimer pentru a disipaenergie.

Amortizorii cu flambaj împiedicat folosesc plastificarea metalului pentru a disipa energie.Curba histeretică a acestora este delimitată de două linii paralele.

4.6 Elementele structurii

Elementele cadrelor suprastructurii sunt secțiuni laminate sau tablă sudată dublu T cuînălțimea inimii de 400mm și secțiuni formate la rece pătrate pentru stâlpi de 350mmx350mm.

Testele indică că pentru toate elementele cadrelor, la stâlpi şi grinzi, valorile de curgere aoțelului ajung la valori de 1.2 ori din valorile nominale.

4.7 Rezultatele testelor

Figurile 4.4, 4.5, 4.6 și 4.7 arată vârful de răspuns, pentru forța tăietoare de nivel, unghiulde rotire, accelerația terenului clădirii analizate pentru cele patru tipuri de situații de conformarestructurală sub efectul seismului de la Kobe 1995. Comparativ este prezentat vârful de răspuns pentru clădirea fără amortizori.

Figura 4.4: Răspunsul structurii cu amortizori cu flambaj împidicat



23

Figura 4.5: Răspunsul structurii cu amortizori vascoși

Figura 4.6: Răspunsul structurii cu amortizori cu ulei

Figura 4.7: Răspunsul structurii cu amortizori vâscoelastici

Per ansamblu, răspunsurile clădirii cu amortizori sunt considerabil mai mici decât celefără amortizori.



24

4.8 Concluzii

În urma experimentului s-a observat că structura cu cele patru tipuri de amortizori a avutun comportament bun, grinzile și stâlpii au rămas în stadiul elastic.

Unghiul de rotire la 100% Takatori pentru clădirea cu fiecare tip de amortizor este mai mic

decât valoarea ţintă de proiectare de 1% radiani în comparație cu structura fără disipatori, caredepășește acestă valoare.

S-a mai observat că amortizorii cu flambaj împiedicat s-au comportat elastic la 15% dinseismul Takatori şi elasto- plastic la 50% şi 100% din seismul Takatori, spre deosebire deamortizorii vâscoși și vâscoelastici care au avut un comportament liniar indiferent de intensitateaseismului de la Kobe. De asemenea, structura cu amortizori vâscoși liniari (cu ulei) a avut celmai bun comportament, având cea mai mică forță tăietoare de nivel, cea mai mică accelerație aterenului și cel mai mic unghi de rotire de nivel.



25

5. ANALIZĂ COMPARATIVĂ ÎNTRE O STRUCTURĂNECONTRAVÂNTUITĂ ȘI MAI MULTE TIPURI DE

STRUCTURI CONTRAVÂNTUITE CENTRIC PREVĂZUTE CU

AMORTIZORI ȘI FĂRĂ AMORTIZORI 5.1 Descrierea structurilor

În continuare se propune investigarea comparativă a mai multor tipuri de structuriconsiderate a fi situate în București (spectrul de răspuns TC=1.6s) pentru determinarea moduluide comportare când sunt supuse la acțiunea seismică Vrancea din 4 martie 1977.

Se analizează o structură necontravântuită (Figura 5.1) comparativ cu trei tipuri de sistemecontravântuite centric, cu contravântuiri poziționate în X, V inversat și diagonale . Fiecare dincele trei tipuri de sisteme contravântuite este propus în patru variante, și anume: varianta 1

(Figura 5.2) având contravântuiri doar pe cadrele exterioare, varianta 2 (Figura 5.3) avândcontravântuiri atât pe cadrele exterioare cât și pe cele interioare, varianta 3 (Figura 5.4)asemănătoare cu cea de-a doua, la care se înlocuiesc contravântuirile de pe cadrele interioare cudisipatori vâscoși liniari și varianta 4 (Figura 5.4), asemănătoare cu cea de-a treia la care sefolosesc amortizori cu frecare în loc de cei vâscoși. Structurile analizate (Figurile, 5.1, 5.2, 5.3 și5.4) sunt simetrice având 3 deschideri și trei travei de câte 6 m fiecare, cu regim de înălțime de11 niveluri (parter + zece etaje) de câte 3,5 m fiecare, inclusiv parterul.

Structurile au fost dimensionate conform SR EN 1993-1-1[56] și P100-1/2006 [58], darpentru a putea fi comparate este necesar ca driftul maxim să fie cât mai apropiat ca valoare.Analiza statică și dinamică s-a realizat utilizând programul de calcul SAP2000.

Pentru a ușura notațiile în continuare se vor denumi structurile în felul următor: structuranecontravântuită se va nota „Necontravântuită”, structura cu contravântuirile dispuse în X, se vanota „X”, structura cu contravântuirile dispuse în V inversat, se va nota „V inv” și structura cucontravântuirile dispuse diagonal, se va nota „D”.

A

6.0 6.06.0

6 .

0

6 .

0

6 .

0

B C D

1

2

3

4

A

6.0 6.06.0

6 .

0

6 .

0

6 .

0

B C D

1

2

3

4

A A

contravantu r

Figura 5.1: Plan etaj curent structură necontravântuită Figura 5.2: Plan etaj curent structură varianta 1



26

În figurile 5.2, 5.3 și 5.4 este prezentat planul structurilor contravântuite în cele patruvariante studiate , iar în figura 5.5 cele trei tipuri de sisteme de contravântuiri folosite , X, Vinv șiD.

A

6.0 6.06.0

6 .

0

6 .

0

6 .

0

B C D

1

2

3

4

A A

contravantuiri

A

6.0 6.06.0

6 .

0

6 .

0

6 .

0

B C D

1

2

3

4

disipatori

contravantuiri

A A

Figura 5.3: Plan etaj curent structură varianta 2 Figura 5.4: Plan etaj curent structură varianta 3 și 4

c) Secțiune A-A -- cu contravântuiri în X

d) Secțiune A-A – - cu contravântuiri în V inversat

e) Secțiune A-A – - cu contravântuiri diagonale

Figura 5.5: Dispunerea cadrelor contravântuite în varianta 1, 2, 3 și 4

În varianta 1 și 2, disiparea se realizează în principal prin plastificarea contravântuirilor,

iar în varianta 3 și 4 atât prin plastificarea diagonalelor cât și prin intermediul disipatorilor (cu oamortizare critică propusă de 15%), de aceea î n primele două variante se vor dimensionaelementele utilizând spectrul de proiectare având o amortizare critică convențională de 5%, iar pentru variantele 3 și 4 se dimensionează la o forţă seismică corespunzătoare unei amortizăricritice ţintă de 15 % din nivelul critic (din care 5 % amortizare critică convențională).



27

Pentru varianta 3 și 4 forța seismică este corectată cu factorul η (conform P100-1/2006,Anexa A):

707.05

10

(5.1)

unde ξ este amortizarea critică [58].

Elementele structurale în urma dimensionării au următoarele tipuri de secțiuni: stâlpii -secțiune cruce de Malta, grinzile – secțiune dublu T și diagonalele-secțiune inelară. Materialulfolosit pentru toate elementele este oțel S355.

Dimensionarea disipatorilor vâscoși liniari (structura din varianta 3) pentru calcululautomat presupune determinarea coeficientului de amortizare c j pentru fiecare amortizor “j” în

parte. Valoarea coeficientului de amortizare este ulterior introdusă în programul de calcul

automat SAP2000. Coeficienții de amortizare ai disipatorilor vâscoși se stabilesc utilizând

metodologia prezentată în FEMA 356 [54], descrisă în cadrul lucrării. Aceștia au valoarea:pentru structura cu contravântuiri în X, c j=4075 kN·s/m, pentru structura cu contravântuirile

poziționate în V inversat, c j=7220 kN·s/m și pentru structura cu contravântuirile poziționate

diagonal, c j=8288 kN·s/m

Dimensionarea disipatorilor cu frecare (structura din varianta 4) pentru calculul automat

presupune determinarea forțelor la care lucrează fiecare disipator “j”. Valorile forțelor

determinate sunt ulterior introduse în programul de calcul automat SAP2000. Forțele de

acționare ale disipatorilor cu frecare se stabilesc utilizând metodologia prezentată în FEMA 356

[54], descrisă în cadrul lucrării. Valorile obținute pentru forțe pentru structura cu diagonale în X

sunt:

F1-3=168.4kN ( nivelurile 1, 2 și 3), F4-6=153.1kN (nivelurile 4, 5 și 6), F7-9=109.5kN(nivelurile 7, 8 și 9) și F10-11=47.1kN (nivelurile 10 și 11), pentru structura cu contravântuirile

poziționate în V inversat forțele la care disipatorii lucrează sunt: F1-3=224.7kN ( nivelurile 1, 2

și 3), F4-6=207.4kN (nivelurile 4, 5 și 6), F7-9=137.6kN (nivelurile 7, 8 și 9) și F10-11=70.3kN

(nivelurile 10 și 11) și pentru structura cu contravântuirile poziționate diagonal forțele la care

disipatorii lucrează sunt: F1-3=373.4kN ( nivelurile 1, 2 și 3), F4-6=351.3kN (nivelurile 4, 5 și

6), F7-9=252.5kN (nivelurile 7, 8 și 9) și F10-11=100.7kN (nivelurile 10 și 11).

5.2 Rezultate obținute

În tabelul 5.1 sunt prezentate o parte din caracteristicile dinamice ale structurilor la care primele moduri de vibrație sunt de translație și cel de-al treilea este de torsiune, pentru fiecaredin structurile analizate.



28

Tabel 5.1: Caracteristici dinamice ale structurilor analizate

I. Structură necontravântuită (Figura 5.1) T1[s] T2[s] T3[s]1.11 1.11 0.98

II.Structuri cu contravântuiri (Figurile 5.2, 5.3 și 5.4)

X V inv DT1[s] T2[s] T3[s] T1[s] T2[s] T3[s] T1[s] T2[s] T3[s]

Varianta 1 1.15 1.15 0.81 1.15 1.15 0.81 1.11 1.11 0.80

Varianta 2 1.15 1.15 0.96 1.16 1.16 0.96 1.15 1.15 0.96

Varianta 3 1.80 1.80 1.24 1.70 1.70 1.20 1.70 1.70 1.20

Varianta 4 1.36 1.36 1.14 1.36 1.36 1.15 1.36 1.36 1.15

S-au obținut caracteristici dinamice proprii apropiate ca valoare pentru varianta 1 și 2pentru cele 3 sisteme. De asemenea modurile proprii de vibrație pentru varianta 3 și 4 suntapropiate ca valoare pentru cele 3 sisteme.

Comparând varianta 2, 3 și 4 se observă că modurile proprii de vibrație sunt mai maripentru structurile cu amortizori decât f ără amortizori pentru fiecare sistem, cele cu amortizorivâscoși având valorile cele mai mari.

5.2.1 Analiza static neliniară

În urma analizei statice neliniare s-a determinat ordinea apariției articulațiilor plastice înfiecare element pentru toate structurile studiate.

Tabel 5.2: Rezultate analiză static neliniară

Tipul de structură

Prima articulație plastică în bare disipative

(diagonale)

Prima articulație plastică în afara barelor disipative

(grinzi)

Stadiu anteriortransformării structurii în

mecanism

FB[kN] δ[m] FB[kN] δ[m] FB[kN] δ[m] I. Structura necontravântuită (Figura 5.1)

- - 21042 0.333 29289 1.70

II. Structuri cu contravântuiri (Figurile 5.2 , 5.3 și 5.4)

Varianta 1X 3196 0.067 11330 0.333 16790 1.87

Vinv 3523 0.067 10033 0.333 18840 1.24

D 3865 0.067 14150 0.333 20434 1.20

Varianta 2

X 2696 0.068 8397 0.435 9181 1.83

Vinv 4023 0.080 5421 0.227 8227 2.00D 3101 0.066 9260 0.382 11620 1.78

Varianta 3X 1181 0.066 4656 0.467 5939 1.80

Vinv 1494 0.066 2990 0.200 6478 1.63

D 1356 0.066 5545 0.467 7615 2.00

Varianta 4X 1138 0.035 5224 0.502 6363 2.00

Vinv 2599 0.115 3901 0.248 7345 1.91D 1210 0.035 6067 0.485 8164 2.00



29

În tabelul 5.2 sunt prezentate valorile deplasărilor de peste ultimul nivel (δ) și forțelor tăietoare de bază (FB) în momentul apariției primei articulații plastice în elementele disipative(contravântuiri), în afara barelor disipative (grinzi) și respectiv înainte de transformareastructurilor în mecanism.

În figurile 5.6 și 5.7 sunt figurate articulațiile plastice pentru toate structurile analizate

înainte de transformarea structurilor în mecanism.

X Vinv D X Vinv D

I.Necontra-vântuită

II.1 Structura contravântuită varianta 1 II.2 Structura contravântuită varianta 2

Figura 5.6: Modul de dispunere al articulațiilor plastice în urma calculului static neliniar pentru structuranecontravântuită și contravântuită varianta 1și 2

X Vinv D X Vinv D


Figura 5.7: Modul de dispunere al articulațiilor plastice în urma calculului static neliniar pentru structuracontravântuită varianta 3 și 4

5.2.2 Analiza dinamic neliniară

Structurile au fost supuse unei analize dinamice neliniare folosind accelerograma din 4martie 1977 Vrancea componenta N-S, scalată cu un factor egal cu 1.2. Pasul de discretizare a



30

fost de 0.05 s. În analiza dinamică a fost luat în considerare intervalul de la secunda 4 la 20 dincele 40 de secunde ale accelerogramei deoarece acesta conține toate vârfurile accelerațiilor și s-a presupus că toate incursiunile în domeniul postelastic s-au produs în acest interval [27].

Rezultatele obținute în urma analizei dinamice neliniare sunt prezentate în tabelul 5.3,unde FB

este forța tăietoare de bază, δ este deplasarea de la ultimul planșeu pentru cele două

sensuri de deplasare iar aabs este accelerația absolută de la ultimul planșeu.

Tabel 5.3: Rezultate analiză dinamic neliniară

FB min

[kN]FB max

[kN]δmin

[m]δmax

[m]aabs

min

[m/s2]aabs

max

[m/s2]

I. Structura necontravântuită (Figura 5.1) 16832 21668 0.304 0.291 9.01 8.70

II. Structuri cu contravântuiri (Figurile 5.2 , 5.3 și 5.4)

Varianta

1

X 10841 11155 0.622 0.280 5.62 5.41

Vinv 12940 14882 0.449 0.344 7.23 7.19D 13092 14060 0.556 0.307 5.98 6.40

Varianta2

X 6693 7210 0.583 0.375 3.98 3.39Vinv 7857 6999 0.554 0.310 4.49 5.26

D 9333 8729 0.748 0.249 5.04 4.81

Varianta3

X 5236 3835 0.357 0.362 2.49 2.04

Vinv 6252 6390 0.353 0.322 2.70 3.08

D 6390 5008 0.417 0.311 2.63 2.44

Varianta4

X 4500 3277 0.395 0.405 2.39 2.60Vinv 5860 4732 0.405 0.350 2.63 3.41

D 5735 4500 0.507 0.393 3.39 4.07

I.Necontra-vântuită

X Vinv D X Vinv DII.1 Structura contravântuită varianta 1 II.2 Structura contravântuită varianta 2

Figura 5.8: Modul de dispunere al articulațiilor plastice în urma calculului dinamic neliniar pentru structuranecontravântuită și contravântuită varianta 1și 2



31

X Vinv D X Vinv D


Figura 5.9: Modul de dispunere al articulațiilor plastice în urma calculului dinamic neliniar pentru structuracontravântuită varianta 3 și 4

În figurile 5.8 și 5.9 sunt figurate articulațiile plastice ale elementelor pentru toatestructurile analizate în urma analizei dinamice neliniare, la valoarea timpului egal cu 20 desecunde.

Se poate observa eficiența utilizării disipatorilor , atât cu frecare cât și vâscoși, prinnumărul mult mai redus de aticulații plastice din grinzi față de structurile în varianta 2. Deasemenea, structurile cu amortizori vâscoși au un comportament mai favorabil decât cele cudisipatori cu frecare, stâlpii și grinzile au rămas în stadiul elastic pentru contravântuirile în X șiD, iar pentru cele cu V inversat un număr foarte redus de grinzi s-a plastificat.

5.2.3 Consumul de material

0 150000 300000 450000 600000 750000 900000

Necontravântuită

Varianta 1

Varianta 2

Varianta 3

Varianta 4

Consum de oțel

Necv.

X

Vinv

D

Figura 5.10: Consum estimat de oțel



32

Consumul de oțel pentru fiecare structură în parte este prezentat în figura 5.10.Se poate observa din figura 5.10 că sistemele cu mai puține contravântuiri necesită mai

mult consum de material pentru aceeași deplasare laterală. Atât pentru varianta 1, 2, 3 și 4sistemul cu diagonalele în X a avut cel mai mic consum de material, urmat de cel cu diagonale înV inversat.

În vederea analizării costului, deși cantitatea de oțel pentru structurile cu disipatori auvalori mult mai mici față de cele fără disipatori, se va ține seama de costul efectiv aldisipatorilor și de întreținerea acestora, pentru o evaluare corectă.

5.3 Concluzii

S-au analizat comparativ mai multe tipuri de structuri situate în București (spectrul derăspuns TC=1.6s) pentru determinarea modului de comportare când sunt supuse la acțiuneaseismică din 4 martie 1977. Structurile au fost dimensionate conform SR EN 1993-1-1[56] și

P100-1/2006[58], dar pentru a putea fi comparate a fost necesar ca driftul acestora să fie apropiatca valoare. Studiul comparativ amănunțit a evidențiat eficiența utilizării disipatorilor pasivi de energie,

cu frecare și vâscoși, prin îmbunătățirea comportării la seism, ilustrată de apariția unui număr mai redus de articulații plastice comparativ cu structurile fără amortizori cât și o valoar e multmai redusă pentru forța tăietoare de bază și accelerația absolută de la ultimul nivel superior.

În vederea analizării costului pentru structuri, deși cantitatea de oțel pentru structurile cudisipatori au valori mult mai mici față de cele cu diagonale sau necontravântuite, se va țineseama de costul efectiv al disipatorilor și de întreținere a acestora, pentru o evaluare corectă.Conform bibliografiei studiate valoarea efectivă a costului pentru o structură nouă sau

consolidată depinde de la caz la caz , în funcție de soluția adoptată și de condițiile impuse și nuse poate exprima care soluție este mai avantajoasă raportată la preț/performanță.



33

6. CONCLUZII FINALE

Prezenta lucrare tratează comportarea la acțiuni seismice a structurilor metalicemultietajate ce conțin cadre contravântuite centric, cu accent deosebit pe studiul comportării

structurilor cu disipatori pasivi.Lucrarea prezintă diferite tipuri de cadre contravântuite centric având modul de poziționareal diagonalelor diferit, în X, V , V inversat, etc.; în funcție de acesta, cadrele au diferite avantajeși dezavantaje, din care s-a concluzionat că, contravântuirile cu diagonale în X au cel mai buncomportament la solicitări ciclice și disipă cea mai mare cantitate de energie.

Pentru îmbunătățirea comportamentului str ucturilor ce conțin cadre contravântuite centrics-a propus folosirea diferitelor dispozitive de disipare pasive. Acestea preiau o parte din energiacinetică produsă de seism prin deformații inelastice sau fricțiune, care acționează în paralel sauîn serie cu sistemul, astfel se reduce deplasarea între etaje, accelerația de răspuns și forțeletăietoare de bază sunt mai mici, acestea conduc la cerințe de ductilitate structurală scăzută, au un

cost mai scăzut decât alte tipuri de dispozitive atât de realizare cât și de instalare și nu adaugăforțe suplimentare în structură. În lucrare sunt prezentate o serie de astfel de dispozitive celucrează diferit dar având același scop și anume să preia o parte din energia cinetică produsă deseism.

În lucrare sunt analizate 13 structuri modelate cu programul de calcul SAP2000 și anume ostructură necontravântuită comparativ cu trei tipuri de sisteme contravântuite centric, cucontravântuiri poziționate în X, V inversat și diagonale. Fiecare din cele trei tipuri de structuriduale este propus în patru variante, și anume: varianta 1 având contravântuiri doar pe cadreleexterioare, varianta 2 având contravântuiri atât pe cadrele exterioare cât și pe cele interioare,varianta 3 asemănătoare cu cea de-a doua, la care se înlocuiesc contravântuirile de pe cadreleinterioare cu disipatori vâscoși și varianta 4, asemănătoare cu cea de -a treia la care se folosescamortizori cu frecare în loc de cei vâscoși. În urma analizei statice și dinamice s-a confirmatcomportarea mai favorabilă a structurilor cu dispozitive de amortizare, comportamentul mai bunavându-l structurile cu disipatori vâscoși. Consumul de material a fost de asemenea mai micpentru aceste structuri.

Din păcate raportul cost/performanță pentru structurile cu disipatori față de cele curente,analizate de autoare cât și de alți autori, nu se poate preciza deoarece valoarea efectivă a costul pentru o structură nouă sau consolidată depinde de la caz la caz, în funcție de soluția adoptată șide condițiile (cerințele) impuse. Dar se încurajează utilizarea controlului structural cu amortizori

cât și cu izolatori datorită performanțelor acestora și pentru ca în timp costul să se reducă iaraceasta să devină o soluție curentă de proiectare, mult mai eficientă.

6.1 Contribuții personale

Principalele contribuții ale autoarei sunt:



34

-Prezentarea avantajelor și dezavantajelor mai multor tipuri de cadre contravântuite centric înurma modelării în calcul automat a acestora;-Prezentarea mai multor tipuri de amortizori pasivi subliniind avantajele și dezavantajeleacestora;-Modelarea în calcul automat a amortizorilor vâscoși și cu frecare pentru structuri cu diagonale

în X, V inversat și D supuse la acțiunea seismică Vrancea 1977;-Evidențierea comportării la acțiuni seismice a unor structuri prevăzute cu contravântuiricentrice, comparativ cu structuri prevăzute atât cu contravântuiri cât și cu disipatori liniar -vâscoși și cu frecare;-Compararea din punct de vedere a cantității de material utilizat la o structură necontravântuită,șase structuri contravântuite și șase structuri prevăzute atât cu contravântuiri centrice cât și cudisipatori.

6.2 Continuarea cercetărilor

Se propune o continuare a cercetărilor cu următoarele teme de studiu:-Realizarea unui studiu experimental pentru o structură cu amortizori vâscoși și amortizori cufrecare supusă la acțiunea seismică Vrancea 1977;-Modelarea în calcul automat și experimental a amortizorilor metalici, vâscoelastici și adiagonalelor cu flambaj împiedicat pentru structuri cu diagonale în V inversat și D supuse laacțiunea seismică Vrancea 1977;-Modelarea în calcul automat și experimental a izolatorilor de bază pentru structuri cu diagonaleîn X, V inversat și D supuse la acțiunea seismică Vrancea 1977;-Studiu experimental pentru o structură cu amortizori metalici supusă la acțiunea seismică

Vrancea 1977.

ANEXA A. EXEMPLU DE CALCUL PENTRU O STRUCTURĂCU DISIPATORI CU FRECARE



35

BIBLIOGRAFIE

[1]--Aiken, I., Ph.D., “Energy Dissipation Devices”, 2006[2]--Aiken, I., “Pasive energy disipation - hardware and applications”, Proceedings, Los Angeles

country and SEAOSC symposium on passive energy dissipation systems for new and existingbuildings, Los Angeles, 1996[3]--Alexa, P., Mociran, H., Mathe, A., “Concepte și tehnologii moderne în controlul comportăriiseismice a construcțiilor”, AICPS Nr. 3- 2005[4]--Banerji, P., Samanta, A., “Earthquake vibration control of structures using hybrid massliquid damper”, Engineering Structure 33, Elsevier, 2011[5]--Benavent-Climent, A., “A brace-type seismic damper based on yielding the walls of hollowstructural sections”, Engineering Structure 32, Elsevier, 2010 [6]--Brockenbrough R. l., “Properties of structural steels and effects of steelmak ing andfabrication” [7]--Butterworth, J., “Ductile concetrically braced frames using slotted bolted joints” SESOC

Journal Vol 13, 2000[8]--Canney, N., “Performance of concentrically braced frames under cyclic loading” Universityof Washington[9]--Chan, R., Albermani, F., “Experimental study of steel slit damper for passive energydissipation”, 2007[10]--Craig, J. I., Goodno, B. J., Towashiraporn, P., Park, J., “Response ModificationApplications for Essential Facilities”, Georgia Institute of Technology, School of Civil andEnvironmental Engineering, Atlanta, Martie 2002[11]--Dalban, C., Chesaru, E., Dima, S., Șerbescu, C., “Construcții cu structură metalică”,Editura didactică și pedagogică, București, 1997 [12]--Dinu, F., Teză de doctorat “Contribuții la studiul comportării structurilor metalice în cadre

multietajate cu noduri semi-rigide”, 2004 [13]--Dragomirescu, P., “Utilizarea de sisteme pasive suplimentare de disipare a energieiseismice ”, A.I.C.P.S. Nr. 2- 2004[14]--Dubină, D., Dinu, F., Stratan, A., Văcărescu, N. F., “Calculul structural global alstructurilor metalice ”, CEMSIG, Timișoara, 2010 [15]--Dubină, D., Dinu, F., Stratan, A., Muntean, N., Zaharia, R., Ungureanu, V., Grecea, D.,“Utilizarea oţelurilor de înaltă performanţă în structura de rezistenţă a clădirilor multietajateamplasate în zone cu risc seismic ridicat: studii de eficienţă şi program experimental” [16]--Frumosu, D. M., Raportul I de cercetare, “Studiu bibliografic asupra structurilor în cadrecontravântuite centric solicitate seismic”, Universitatea Tehnică de Construcții București,Februarie 2010 [17]--Frumosu, D. M., Raportul II de cercetare, “Studiu teoretic și experimental asuprastructurilor în cadre contravântuite centric”, Universitatea Tehnică de Construcții București, Iulie2010 [18]--Frumosu, D. M., Raportul III de cercetare, “Calculul structurilor în cadre contravântuitecentric solicitate seismic ”, Universitatea Tehnică de Construcții București, Februarie 2011 [19]--Frumosu, D. M., “Clasificarea cadrelor contravântuite centric la structuri metalicemultietajate”, Sesiunea de comunicări științifice a școlii doctorale din Universitatea Tehnică deConstrucții București, Iulie 2010



36

[20]--Frumosu, D. M., Seiculescu, V., “Comparison of seismic performance betweenconcentrically braced steel frames and steel plate shear wall frames”, Scientific Journal:Mathematical Modelling in Civil Engineering, volume 7 – no. 1-2, București, Martie 2011[21]--Gioncu, V. ,Mazzolani, F. M., “Ductility of seismic resistant steel structures”,Spon PressUSA, Canada; Biddle Ltd Great Britain, 2002

[22]--Haiducu, A., “Sisteme moderne pentru atenuarea efectului acțiunii seismice la poduri deșosea”, UTCB, București, 1997[23]--Huang, H. C., “Efficiency of the motion amplification device with viscous dampers and itsapplication in high-rise buildings”, Earthquake engineering and engineering vibration, Vol.8,No.4, Decembrie 2009[24]--Iordăchescu, A., Iordăchescu, E., “Consolidarea complexului sportiv ASE prin utilizareaamortizorilor seismici cu fluid vâscos”, A.I.C.P.S., București, 1-2/2011[25]--Kasai, K., Ito, H., Motoyui, S., Ozaki, H., Ishii, M., Kajiwara, K., Hikino, T., “Full-scaletests on value-added performance of 5-story building with various dampers commerciallyavailable” [26]--Khatib, I. F., Mahin, S. A., Pister, K. S., “Seismic behavior of concentrically braced steel

frames”, Report UCB/EERC-88/01, Earthquake engineering reasearch center, University of California, Berkeley, California, 1988[27]--Kober, H., Teză de doctorat “Contribuții privind alcătuirea și calculul structurilor metalicemultietajate în cadre contravântuite excentric”, 2005[28]--Lin, C., Lub, L., , Lin, G., Yanga, T., “Vibration control of seismic structures using semi-active friction multiple tuned mass dam pers”, Engineering Structure 32, Elsevier, 2010[29]--Lin, Y., Y., Chen, C., Y., “Shaking table study on displacement-based design forseismicretrofit of existing buildings using nonlinear viscous dampers”, The 14th World Conference of Earthquake Engineering, Beijing , 2008[30]--Mazzolani, F. M., Georgescu, Dr., Astaneh, A., “Remarks on behaviour of concentricallyand excentrically braced steel frames”, 1994 [31]--Morgen, B. G., Kurama, Y. C., “Characterization of two friction interfaces for use inseismic damper applications”, Materials and Structures, Rilem, 2009[32]--Nguyen, H. V., Lostuvali, B., Tommelein, I. D., “Decision analysis using virtual first-runstudy of a viscous damping wall sistem”, Proceedings for the 17th Annual Conference of theInternational Group for Lean Construction[33]--Pall, A., Pall, T., “Performance-based design using pall friction dampers - an economicaldesign solution”, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 1955,Vancouver, Canada, August 2004 [34]--Parka, J. , Minb, K., Chungb, L., Leec, S., Kimd, H., Moonb, B., “Equivalent linearizationof a friction damper – brace system based on the probability distribution of the extremaldisplacement ”, Science direct, Elsevier , 2006[35]--Pastia, C., “Implementarea sistemelor active şi semi-active în structurile construcţiilor civile”, Grant CNCSIS, 2004 [36]--Pavel, M., Teză de doctorat “Cercetări privind controlul răspunsului seismic prinamortizori acordați”, 2009 [37]--Remennikov, A. M., Walpole, W. R., “Analytical prediction of seismic behaviour forconcentrically- braced steel systems”, Earthquake engineering and structural dynamics, Vol 26,New Zealand, 1997[38]--Ribakov, Y., “Reduction of structural response to near fault earthquakes by seismic



isolation columns and variable friction dampers”, Earthquake engineering and engineeringvibration, Vol.9, No.1, Martie 2010[39]--Sabelli, R., Mahin, S., Chang, C., “Seismic Demands on Steel Braced Frame Buildingswith Buckling-Restrained Braces”, Pacific Earthquake Engineering Research Center, 2001[40]--Sarnoa, L. D., Elnashai, A.S., “Bracing systems for seismic retrofitting of steel frames”,

Journal of Constructional Steel Research 65, Elsevier, 2009[41]--Șerban, V., Sireteanu, T., Androne, M., Ciocan, A., Zamfir, M., Mitu, A., “Soluțiiinovative de proiectare și realizare de construcții rezistente la acțiuni seismice lente Vrâncene”A.I.C.P.S., București, 1-2/2011[42]--Soong, T.T., Constantinou, M.C., “Passive and active structural vibration control in civilengineering”, Department of Civil Engineering State University of New York, Buffalo, Martie1994[43] --Tremblay, R., Timler, P., Bruneau, M., Filiatrault, A., “Performance of steel structuresduring the 1994 Northridge earthquake”, Can.J.Civ.Eng 22, Canada, 1995.[44]--Vezeanu, G., Bețea, Șt., “Soluţii alternative pentru structuri din oţel cu contravântuiricentrice”, Editura didactică și pedagogică, București

[45]--Vezeanu, G., Pricopie, A., “Design considerations for buildings with nonlinear viscousdampers”, Scientific Journal - Mathematical modelling in civil engineering, Vol.7, No.1-2,Martie 2011[46]--Whittake, A., “Design of steel braced frames”, CIE 423 Structures III Lecture 22[47]--Yang, C. S., Leon, R. T., DesRoches, R., “Design and behavior of zipper- braced frames”,Engineering Structure 30, Elsevier, 2008[48]--Yoo, J., Roeder, C. W., Lehman, D. E. , “Simulated behavior of multi-story X-bracedframes”, Engineering structure 31, Elsevie, 2009[49]-- [web] http://cemsig.ct.upt.ro/astratan/didactic/seism/ [50]-- [web] http://www.corebrace.com/newabout.html [51]-- [web] http://www.damptech.com [52]--ANSI/AISC 341-05 “Seismic provisions for structural steel buildings ”, American Instituteof steel construction ,inc., 2005[53]--FEMA 273, “NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of buildings”, FederalEmergency Management Agency, Washington D.C., 1997[54]--FEMA 356, “Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings” ,Federal Emergency Management Agency, 2000[55]--EC8-98. Eurocode 8: “Design of structures for earthquake resistance”, Brussels: EuropeanCommittee for Standardization, 2003[56]--SR EN 1993-1-1. Eurocod 3, “Proiectarea structurilor de oțel”, Asociația de standardizaredin România, 2006[57]--SR EN 1998-1:2004. Eurocod 8, “Proiectarea structurilor pentru rezistență la cutremur.Partea 1: Reguli generale, acțiuni seismice și reguli pentru clădiri”, Asociația de Standardizaredin România, 2004[58]--P100-1-2006, “Cod de proiectare seismică”, București : MTCT, 2006 [59]--P100-3-2006, “Cod de evaluare și proiectare a lucrărilor de consolidare la clădiri existentevulnerabile seismic”, Vol 2 Consolidare, 2006

http://cemsig.ct.upt.ro/astratan/didactic/seism/


http://www.corebrace.com/newabout.html


http://www.damptech.com/






Frumosu (Cas. Seiculescu) Diana-Martina - Rezumat

Documents

Transcript of Frumosu (Cas. Seiculescu) Diana-Martina - Rezumat