IZOLAREA BAZEI

- metoda moderna de protectie antiseismica -1. Introducere

Cutremurele sunt potentiale evenimente naturale, care ameninta vieti, distrug bunuri materiale si intrerup servicii necesare pentru mentinerea vietii si relatiilor sociale.

In proiectarea seismica generala, un nivel acceptabil de performanta al cladirii in timpul unei miscari seismice, consta in capacitatea intrinseca a structurii de rezistenta de a absorbi si de a disipa energie intr-o maniera cat mai stabila si pentru cat mai multe cicluri.

Disiparea energiei are loc, de exemplu, in zonele special realizate ale grinzilor unde apar articulatiile plastice si la baza stalpilor, elemente cu un rol important, insa si in sistemul de preluare a incarcarilor gravitationale. Articulatiile plastice reprezinta zone de concentrare a degradarilor care de obicei nu mai pot fi reparate. Ca urmare a faptului ca siguranta vietii este asigurata, colapsul structurii este impiedicat si, nu in ultimul rand, ca urmare a unor factori economici, orientarea actuala in proiectarea seismica rationala a structurilor nu poate fi inlaturata, ea utilizandu-se la scara larga atat in proiectarea structurilor noi cat si in consolidarea celor existente.

Totusi, in ultima perioada, la nivel mondial, tot mai multe cladiri sunt proiectate sa reziste la miscarea seismica, utilizandu-se un concept relativ nou, si anume acela de a introduce in structura dispozitive speciale cu rolul de a absorbi sau disipa energia introdusa in structura de mscarea seismica. Aceste dispozitive pot fi introduse pentru a imbunatatii comportarea structurii din punct de vedere al ductilitatii, conform principiilor prezentate mai sus, sau pentru a prelua in totalitate incarcarea seismica.

Sistemele de izolare a bazei reprezinta un astfel de sistem special. Principiul fundamental al izolarii bazei este acela de a modifica raspunsul cladirii astfel incat terenul de sub cladire sa se miste in timpul actiunii seismice fara a transmite miscarea acesteia.

Sistemul ideal ar consta intr-o separatie totala, dar in realiate, este necesara existenta unor zone de contact intre structura si teren.

Amplasarea izolatorilor seismici duce la o marire a flexibilitatii bazei in plan orizontal, in scopul cresterii perioadei de vibratie, in asa fel incat acceleratia transmisa structurii sa fie considerabil redusa (fig. 1.1). Comparand variatiile deplasarilor si ale fortelor ce actioneazaasupra structurii se constata ca odata cu schimbarea perioadei de vibratie la o crestere a deplasarilor la nivelul bazei corespunde o scadere a fortelor ce actioneaza asupra structurii (fig. 1.1). 2. Dezvoltarea sistemului in SUADevenind o tehnica de proiectare structurala tot mai aplicata la cladiri si poduri in zone cu potential seismic ridicat, se incearca actual imbunatatirea sistemelor pentrua a devenii mai fiabile si pentru a se incerca reducerea costurilor de productie.

In cadrul multor dintre aceste proiecte care fie se afla in faza de proiectare, constructie sau sunt finalizate sau folosit in cadrul disipatorilor de energie elemente de cauciuc.

Exista 2 sisteme de baza in cadrul acestei metode de protectie la actiunea seismica.

Sistemul care a fost adoptat la scara larga este acela in care se folosesc cuzineti elastomerici, elastomerul fiind realizat din cauciuc natural sau neopren. La aceasta abordare cladirea sau structura este decuplata de miscarile orizontale ale actiunii seismice, interpunand o suprafata cu rigiditate mica dar elasticitate ridicata intre structura si fundatie.

Aceasta suprafata da structurii o perioada fundamentala mult mai micadecat in cazul fixarii rigide a structurii on fundatie si de asemenea frecvente mult mai mici decat cele predominante ale miscarii terenului.

Primul mod de vibratie al structurii izolate implica deformatii doar in sistemul de izolare, suprastructura fiind rigidadin toate punctele de vedere.

Modurile de vibratie superioare care vor produce deformatii sunt ortogonale primului mod de vibratie si implicit miscarii pamanatului. Aceste moduri de vibratie nu participa la deplasare, astfel incat daca exista energie stocatain miscarea pamantului la aceste frecvente mai ridicate, aceasta energie nu se transmite la suprastructura.

Sistemul de izolare a bazei nu absoarbe energia cutremurului, ci o disipa prin dinamica sistemului. Metoda functioneaza atunci cand sistemul este liniar si chiar si atunci cand nu contine deflectori. Totusi dispunerea acestor deflectori este benefica pentru suprimarea oricarei rezonante posibile, la frecventa izolarii.

Al doilea sistem este caracterizat ca un sistem de alunecare (slide). Acesta functioneaza prin limitarea transferuluifortei taietoare catre structura la nivelul zonei de izolare. Multe sisteme de acest fel au fost propuse si cateva au fost realizate ca si aplicatii practice. In China exista cel putin 3 cladiri importante care au fost realizate in solutia aceasta cu sistem de alunecare.

O prima solutie pentru acest sistem e interpunerea la suprafata de glisare a unui nisip special selectat.

Un alt tip de sistem realizat dintr-o placa de baza realizata din bronz ce gliseaza pe o alta placa realizata din otel inoxidabil prin intermediul unuideflector elastomeric a fost folosit la constructia unei centrale nucleare din Africa de sud.

Sistemul pendul-frictiune este un sistem in care se foloseste un material special de interfata la suprafata de lunecare pe talpa de otel inoxidabil, ce a fost folosit la cateva proiecte din S.U.A. atat pentru cladiri noi cat si pentru cele vechi.

3. Cercetare la Universitatea din California

Cercetarea pentru dezvoltarea unor izolatori de cauciuc natural a inceput in 1976 la Universitatea din California in Berkeley, testele avand loc la Centrul de Cercetare si Ingineria Cutremurelor din cadrul Centrului de Cercetare si Inginerie al Pacificului.

Desi nu era o idee noua la acea vreme (au fost propuse metode ce foloseau role sau sisteme glisante) sistemul de izolare a bazei nu era o metoda agreata deoarece era considerata nepractica de majoritatea celor prezenti in cadrul echipei de cercetare.

Cercetarea in sine a inceput cu un set de inregistrari pe niste izolatori realizati manual dintr-un cauciuc cu modulul de elasticitate redus. Modelul pe care s-au facut incercarile a fost unul simplu de 3 etaje cantarind 20 de tone.

Testele pe masa vibranta au aratat ca deflectorii au adus reduceri considerabile in valorile acceleratilor in comparatie cu modelul realizat conventional, si ca, asa cum se presupunea modelul avea sa raspunda ca un sistem rigid cu toata deformatia concentrata in sistemul de izolare.

Era cert ca un anume grad de disipare era necesar si ca scara modelului era prea mica pentru folosirea mai multor tipuri de compozitie pentru deflectorii din cauciuc.

In 1978 un test mult mai convingator pe un model mai realist de 5 etaje cantarind 40 de tone la incercarea caruia s-a folosit un sistem de deflectori verticali si orizontali.

Obiectul principal de interes si de studiu al acestui proiect l-a reprezentat efectul elementelor auxiliare si echipamentelor componente ale cladirii, care tind sa fie cele mai afectate in timpul unui seism si in unele cazuri sa depaseasca in importanta si cost structura cladirii.

Aceasta serie de teste a demonstrat ca folosirea izolatorilor de cauciuc putea sa produca reduceri substantiale in acceleratiile suportate de echipamentele interioare, depasind ca si valoarereducerile efectelor suferite de structura.

In acelasi timp testul a demonstrat ca folosirea unor sisteme complementare (dispozitive din metal absorbante de energie, sisteme de frictiune, dispunere de contravantuiri) sunt atasate sistemului de izolare a bazei pentru a imbunatatii disiparea energiei seismice, reducerile de acceleratii din elementele auxiliare din structura nu se mai realizau deoarece elementele aditionale induceau raspunsuri in modurile superioare ale structurii, afectandu-le. Metoda optima de a imbunatatii disiparea energiei a ramas imbunatatirea compozitiei izolatorilor de cauciuc. 4. Izolatori din cauciuc (armat) Izolatorii sunt realizati prin vulcanizarea straturilor de cauciuc pe placi subtiri din metal care sunt folosite pentru rigiditate (armare). Din cauza rigiditatii pe care o aupe directia verticala sub incarcari din actiunea seismica, stratul de deflectori izoleaza cladirea de componentele orizontale ale miscarii solului (cele mai importante ca si marime) in timp ce componentele verticale sunt transmise in totalitate structurii.

Desi acceleratiile verticale nu afecteaza majoritatea cladirilor, deflectorii izoleaza cladirea si de frecventele inalteale vibratiilor verticale produse de metrouri sau de traficul local.

Deflectorii de cauciuc sunt potriciti pentru cladirii de pana la 7 etaje, la care nu este prezent fenomenul de ridicare sau actiunea vantului nu are o valoare importanta.

5. Modele de raelizare a sistemelor de izolare a bazeiObiectivul este reprezentat de Centrul de gestionare al situatiilor de urgenta din Umbria.

Autoritatile locale au finantat proiectarea si dezvoltarea acestui centru cu amplasamentul intr-un spatiu larg deschis in apropierea orasului Foligno. Centrul va reprezenta baza operativa a Serviciului National de Management Seismic care va gestiona activitatile din centrul Italiei. Cladirile componente ale acestui centru vor fi dotate in intregime cu sisteme de izolarea bazei.

Complexul de cladiri se extinde pe o suprafata de aproximativ 35 de hectare. Un grup tehnic format din ingineri si experti locali au planificat dezvoltarea urbanistica a acestui spatiu incluzand in ea urmatoarele cladiri:

1. Cladirea de operare centrala

2. Corp administrativ

3. Centru de intalniri si training

4. Corpul de interventii pompieri (cladire personal si parcare)

5. Corpul de cruce rosie (cladire provizorie personal si depozit)6. Parcare

7. Corpul de silvicultura

8. Centrul de service

9. Centrul de protectie pentru valori culturale

10. Depozit

11. Centrul de rezerva de apa

Cladirile de la 1 la 9 au incorporate in structura sisteme de izolare a bazei. Doar cladirile 10 si 11 au fundatii conventionale pentru ca au foat realizate inainte de a se lua decizia executarii tuturor cladirilor in varianta cu izolarea bazei.Corpul 4 este realizat integral, lucrarile de contructie ale corpurilor 1 2 3 7 si 8 sunt in desfasurare iar structura de rezistenta a cladirilor 5 si 6 au fost finalizate.

Descrierea cladirilor principale Caracteristicile elementare aferente corpurilor principale ale centrului sunt enumerate la punctele urmatoare. O atentie particulara este focalizata asupra performantelor care pot fi atinse la o corecta utilizare a sistemului de izolare a bazei.Domul Centrului operational

Domul este centrul operational al centrului. Forma acestei structuri reprezinta o mostra tipica de dispunere in plan a cladirii care duce la imbunatatirea performantelor sistemului de izolare a bazei.

Configuratia edificiului a fost conceputa astfel incat sa sporeasca compactitatea structurii si sa dobandeasca raportul optim de distributie a maselor si rigiditatilor. Configuratia structurii de rezistenta este de dom fals cu diametrul de 31 m. Elementele structurale principale sunt o serie de 10 semiarce din beton armat sustinute de 10 izolatori HDRB cu diametrul 1000 mm.

Semiarcele dispuse radial pornesc de la un inel periferic situat la primul nivel, si sustin, la partea superioara o imima cilindrica centrala pretensionata in care se gasesc lifturile si scarile. Un sistem periferic rigid din pereti structurali din beton armat face conexiunea dintre acest inel si izolatorii de cauciuc situati la baza cladirii deasupra solului. Trei nivele de placi unesc arcele cu centrul cladirii formand astfel o forma compacta de genul unei cutii. Din vreme ce elementul central al cladirii este suspendat, structura reazema doar in cei 10 izolatori periferici, maximizand rigiditatea la torsiune. Aceasta dispunere neobisnuita dar consistenta a facut posibila satisfacerea cerintei arhrecturale de a lasa un prim etaj pietonal deschis evitandu-se tiparul cladirilor cu parter flexibil periculoasa in zone seismice.

Structura a fost fost proiectata sa reziste la cutremurul maxim capabil definit ca fiind evenimentul seismic cu o perioada de revenire sau interval mediu de recurenta de 1000 de ani. Parametri finali de proiectare sunt evidentiati in tabelul de mai jos. Desi aceasta cerinta seismica a fost asumata, valori mari ale raportului capacitate/cerinta au fost obtinute pentru toate elementele structurale, datorita conditiilor arhitecturale in dimensionarea elementelor structurii care au fost mai severe decat cele rezultate din calcul, in timp ce au fost intrunite toate procentele de armare conform codurilor de proiectare.

Pentru apune in evidenta flexibilitatea pe care o ofera designului structurii sistemul de izolare a bazei trebuie avute in vedere ca un prim set de planuri ale structurii cladirii centrale de operare impreuna cu cele ale cladirilor 2 si 3 au fost realizate luand in considerare zona seismica 2 si presupunand valoarea de baza recomandata a PGA = 0.25g corespunzatoare unnui interval mediu de recurenta de 475 ani. In plus a fost adaugat un factor de siguranta 1=1,4 corespunzator destinatiei cladirii, pentru a pune in evidenta o perioada medie de revenire de 1000 ani.Date de intrare

PGA (acceleratia maxima de baza)0.49g

- factor de reducere 10% a a capac. de disipare a dispozitivelor de izolare 0.816

acceleratia de raspuns la perioadazonei izolate0.182g

Raspunsul structurii cu baza izolata

Perioada izolata laterala pentru deplasari lateralede 200-400 mm2.62 sec

deplasare maxima de proiectare a dispozitivelor de izolare405 mm

q- factor de reducere pentru rezistenta in stadiul ultim a structurii1.38

raport minim capacitate/cerinta la SLU pentru elementele structurale2.01

Pentru a exemplifica problema ne putem referi la dom unde sistemul de izolare a bazei in acest stadiu de proiectare continea 10 izolatori HDRB cu diametrul 800 mm dintr-un compus de cauciuc cu rigiditate medie care genera o perioada de 2.1 secunde. Acest lucru se intampla inainte de intrarea in vigoare a noului cod de constructii italian reglementa unele subscriptii. La finalul proiecatarii noul cod intrase in vigoare si proiectul a fot refacut conform noilor prevederi ale acestuia. Noua incadrare seismica obliga la luarea in calcul a unei acceleratii maxime de baza de 0,49g.

Multumita flexibilitatii acestui mod de abordare (izolare a bazei) dimensiunile elementelor care alcatuiau cladirea nu trebuiau modificate, singura modificare a fost cea a dimensionarii izolarorilor de baza. Au fost proiectati izolatori mai grosi, mai inalti si mai flexibili (10 HDRB 1000 mm) pentru a marii perioada de la 2.1 la 2.62 secunde, astfel mentinanduse aceeasi cerinta de foata taietoare de baza. In consecinta deplasarea maxima la care ar trebui sa fie supusi izolatorii a crecut de la 281 la 405 mm,fapt care a facut posibila folosirea aceluiasi proiect structural. Acest rezultat inseamna de asemenea ca este posibil sa proiectezi instalatia de izolare a bazei in raport cu rezistenta actuala a structurii superioare, decat in raport cu intensitatea cutremurului folosit in calcul. Asadar ideea comuna ca structura este proiectata sa raspunda datelor de intrare din seim poat fi interpretata intr-un mod convenabil. Acesta este un aspect important in proiectarea seismicacare scoate in evidenta folosirea sistemului de izolare a bazei in cazul reconditionarilor cladirilor mai vechi.

Cele 2 cladiri din jurul domului

Corpul de pompieri

Corpul de cruce rosie

6. Concluzii

In aceasta lucrare am incercat sa prezint cateva aspecte ale benificiului adus de aceasta metoda, relativ noua, de protectie a cladirilor la actiunea seismica si nu numai.

Desi considerata prea costistoare metoda reprezinta un mijloc importand de a reduce daunele asupra sistemelor structurale ale cladirilor si instalatiilor componente ale acestora sau chiar de a salva vieti omenesti in timpul unor actiunilor seismice puternice.

Luand in considerare faptul ca este o tehnologie relativ noua mentinerea cercetarilor in acest domeniu va ajuta la dezvoltarea unor sisteme mai fiabile si mai performante.

Metoda izolarii bazei e o metoda care va ajuta la obtinerea performantei produsului constructie.

Metoada izolarii bazei ajuta foarte mult in domeniul proiectarii si a timpului de proiectare in constructii, sistemul de izolare al bazei fiind variabila care este luata in calcul atunci cand, din cauza unor modificari de cod sau de decizii guvernamentale se schimba unele date ale problei de rezolvare al sistemului structural al cladirii calculata in zone seismice.

7. Bibliografie:1. Studiu de caz asupra unor structuri cu baza izolata Cristian Ghindea, Nicolai Topa

2. Base isolation: Origins and Development (tradus engl.) James M. Kelly professor Emeritus Civil and Enviromental Engineering at University of California, Berkeley

3. Base isolation and structural configuration The new Emergency Managemenet Center in Umbria (tradus engl.) - Alberto Parducci, Sandro Constantini, Alfredo Marimpietri, Marco Mezzi, Roberto Radicchia, G. Tommesani (University of Perugia-Tekno IN.)4. Technotes magazine