CALCULUL I ALCTUIREA STRUCTURILOR DE REZISTEN DIN LEMN AMPLASATE N ZONE SEISMICE (PREZENTA REGLEMENTARE TEHNIC COMPLETEAZ NORMATIVUL PENTRU PROIECTAREA ANTISEISMIC A CONSTRUCIILOR DE LOCUINE, SOCIAL CULTURALE I INDUSTRIALE P 100-92 LA CAP. IX, REFERITOR LA CONSTRUCIILE DIN LEMN)Indicativ NE 019 2003

Cuprins

1. PRINCIPII DE PROIECTARE ANTISEISMIC1.1. Construciile din lemn trebuie proiectate innd cont de unul din urmtoarele concepte: a. Comportare structural disipat este considerat capacitatea unei pri structurale (zone de disipare) s reziste aciunii seismice prin incursiuni dincolo de limita elastic. Cnd se folosete spectrul de rspuns elastic, factorul este luat mai mic ca 0,66 ; depinde de clasa de ductilitate. Zonele disipative vor fi localizate n mbinri i conectori metalici, lund n considerare i eventualele influene locale datorate tijelor care se deformeaz, iar elementele din lemn rmn n domeniul de comportare elastic. b. Comportare structural puin disipat efectele aciunii sunt calculate pe baza unei analize globale elastice, fr a lua n considerare comportarea neliniar a materialului. Cnd se folosete spectrul de rspuns elastic, factorul trebuie luat mai mare ca 0,66. 1.2. Proiectarea detaliilor constructive este foarte important pentru construciile din lemn situate n zone seismice. Trebuie asigurat traseul eforturilor n ansamblul structurii de la sol i fundaii la acoperi i invers (prin forma structurii i continuitate), precum i existena unei rezerve de rezisten suficient (ductilitate i disipare de energie). 1.3. Principiile care guverneaz proiectarea mpotriva hazardului seismic sunt: - continuitate structural; - simplitatea structural; - regularitatea construciei; - uniformitate, simetrie i redundan; - rezistena bi-directional i rigiditate; - rezistena la torsiune i rigiditate.

1.4. Plastificarea i disiparea de energie poate s produc n mbinrile diferitelor elemente doar n cazul mbinrilor semirigide (mbinri mecanice realizate cu elemente de mbinare metalice). 1.5. Lemnul pus n oper se comport: - fragil, la ntindere transversal pe fibre, la forfecare, la ntindere axial, la ncovoiere; - semiductil, la compresiune axial; - ductil, la compresiune transversal. 1.6. O clasificare a structurilor este realizat n funcie de comportarea lor plastic i de capacitatea lor de disipare de energie. Se definesc trei clase de ductilitate static (tabel 1). Ductilitatea static S a mbinrilor este definit ca fiind raportul dintre deplasarea corespunztoare forei maxime atinse n decursul ncercrii sub ncrcare monoton cresctoare i deplasarea corespunztoare strii limit elastice: 9; 9; Tabelul 1. Clase de ductilitate static Clase I II III [top] Ductilitate Inferioar (arce cu 2 sau 3 articulaii, grinzi) Medie (arpante asamblate cu buloane, cadre cu mbinri cu buloane etc.) Superioar (structura din panouri) (1)

s13 36 6 12

2. ALCTUIREA DE ANSAMBLU A CONSTRUCIILOR DIN LEMN2.1. Simplitatea structural caracterizat prin existena unor elemente clare i directe de transmitere a forelor seismice, este un obiectiv important de urmat de cnd modelarea, analiza, dimensionarea, detalierea i conceperea unei structuri simple conduce la mai puin incertitudine i astfel predicia unei comportri seismice este mai sigur. 2.2. Construciile se clasific n funcie de regularitatea lor structural n: - structuri regulate; - structuri cu regularitate medie;

- structuri neregulate. 2.3. Cerinele de alctuire necesare pentru structurile regulate i cu regularitate medie sunt: 1. Structura nu trebuie s aib nici un element portant vertical a crei sarcin s nu se transmit n linie direct la fundaie. Dac contravntuirea este asigurat printr-un numr suficient de perei, se poate aprecia c acest criteriu este respectat. 2. n concordan cu rigiditatea lateral i distribuia maselor, structura unei cldiri trebuie s fie aproximativ simetric n plan dup dou axe ortogonale. 3. Construcia trebuie s aib cel puin trei planuri de contravntuire non-concurente i de rigiditi comparabile. 4. Rigiditatea n plan a planeului trebuie s fie suficient de mare n comparaie cu rigiditatea lateral a elementelor structurale verticale, astfel nct deformaia planeului s aib un efect redus n distribuia forelor n elementele structurale verticale. Formele n plan de L, , H, I, X trebuie analizate atent, mai ales n ceea ce privete rigiditatea braelor laterale, care trebuie sa fie comparabile cu cea a prii centrale, pentru a satisface condiia de diafragma rigid. 5. Forma construcie n plan, ca i distribuia de mase i rigiditi pe nlime trebuie s satisfac anumite condiii de regularitate: a. Forma construciei n plan trebuie s prezinte o configuraie simetrice n raport cu cele dou direcii ortogonale. b. Forma construciei trebuie s prezinte o continuitate regulat n sens vertical, n raport cu cele dou direcii ortogonale. c. Configuraia n plan trebuie s fie compact, adic fiecare planeu sa fie delimitat de un poligon convex. n cazul n care n plan exist intrnduri i ieinduri, condiia de regularitate este ndeplinit dac acestea nu depesc 5% din aria planeului. d. Raportul ntre laturile cldirii = Lx / Ly nu trebuie s fie mai mare de 4. Dac nu este ndeplinit aceast condiie, se prevede introducerea de rosturi. e. La fiecare nivel i pentru fiecare direcie de analiz x i y, excentricitatea structural i raza de torsiune trebuie s satisfac dou condiii (exprimate pentru direcia de analiza y) (fig. 2.7): e0x 0.30 rx rx ls (3) (2)

e0x distanta ntre centrul de rigiditate i centrul maselor, msurata pe direcia x, normala pe direcia analizata; rx radicalul raportului intre rigiditatea la torsiune i rigiditatea laterala n direcia y; lx raza de giraie a planeului n plan. 2.4. Uniformitatea este caracterizat printr-o distribuie, uniform a elementelor structurale n plan i pe vertical, care permite transmiterea direct a forelor de inerie create n masele distribuite ale structurii.

Dac este necesar, uniformitatea poate fi realizat prin mprirea ntregii structuri prin rosturi seismice n uniti dinamice independente. Uniformitatea este, de asemenea, important i pe nlimea structurii deoarece tinde s elimine apariia zonelor sensibile unde concentrrile de eforturi sau cerinele de ductilitate pot conduce la un colaps prematur. 2.5. Utilizarea uniform a elementelor structurale distribuite crete redundana i permite o redistribuire favorabil a efectelor aciunilor i o disipare de energie n ntreaga structur. 2.6. Elementele structurale trebuie distribuite n plan dup direcii ortogonale, fiind asigurate rezistente i rigiditi comparabile n ambele direcii principale. 2.7. Caracteristicile de rigiditate structural trebuie stabilite n scopul minimizrii efectelor aciunii seismice i limitarea dezvoltrii deplasrilor excesive care pot conduce la instabilitate datorit efectelor de ordin doi sau la distrugeri locale. 2.8. Pe lng rezistena lateral i rigiditatea, structurile trebuie s aib o rezisten la torsiune i rigiditatea adecvat pentru a limita efectele de torsiune care au tendina de solicita neuniform diferite elemente structurale. Pentru aceasta, o soluie o constituie poziionarea elementelor structurale la extremitile structurii. [top]

3. COMPORTAREA MBINRILOR LA ACIUNI SEISMICE3.1. mbinrile mecanice au o ductilitate bun, nu sunt sensibile la sarcini reperate i au capacitate de disipare de energie. 3.2. Pentru a se evita ruperea prin fisurare prematur, trebuie respectate reguli privind distanele dintre tije i dintre tije i captul elementului din lemn care sunt stabilite astfel nct s asigure o comportare ductil (cf. NP 005/03 Cod pentru proiectarea construciilor din lemn). Majorarea spatiilor dintre piesele de mbinare i fa de limitele elementului din lemn contribuie la creterea rezistenei la fisurare i, n consecin, la ductilitatea mbinrii. 3.3. Fisurarea poate fi prevenit prin adugarea n zona de mbinare a unor materiale de ranforsare, cu o bun rezisten la ntindere transversal, precum contraplcile, n acest fel, fisurarea este mai bine stpnit i este asigurat plastificarea elementelor de hotel . Aceste dou concepte pot s confere mbinrii o comportare postelastic corespunztoare (n termeni de ductilitate). Capacitatea de disipare de energie poate fi mbuntit prin alegerea de tije zvelte, care permit formarea de articulaii plastice. Fisurarea este limitat atunci cnd grosimea lemnului creste n raport cu diametrul tijelor. 3.4. Pentru a evita orice pierdere inacceptabil de rezisten, trebuie respectate urmtoarele trei principii: - proiectarea pieselor de fixare care s mpiedice smulgerea elementelor din mbinare; - prevenirea utilizrii de materiale care au o rupere fragil; - utilizarea unor materiale cu o buna comportare sub sarcini repetate.

3.5. Elemente de mbinare de tip tije (cuie, agrafe i uruburi) Cu excepia elementelor din hotel dur, cuiele, agrafele i uruburile au o comportare plastic. Creterea lungimii de ptrundere a tijei n elementul de lemn previne riscul de smulgere. De asemenea, nu sunt recomandate cuiele lise. Un coeficient de zveltee al tijei mai mare ca 8 garanteaz o buna ductilitate. Pentru mbinrile intre panouri de placaj pe structura de lemn, comportarea ductila se manifesta atunci cnd coeficientul de zveltee al tijei este mai mare ca 4. ncercri pe panouri cu structura din lemn mbinate cu cuie demonstreaz o ductilitate sporita i o capacitate mare de disipare de energie. 3.6. Broe (dornuri) mbinrile cu tije metalice zvelte au capacitatea de a plastifica n acelai timp otelul i lemnul din mbinare, ceea ce permite o disipare bun de energie. Coeficientul de zveltee al dornului trebuie sa fie mai mare ca 8, ca sa se obin o ductilitate buna. Pentru tije masive i distane normale intre tije, plasticitatea depinde numai de capacitatea portant a lemnului. 3.7. Buloane Pentru mbinrile cu buloane, toleranele din pregurire provoac neregulariti n distribuia eforturilor. Suprasarcinile care afecteaz, n consecin, anumite buloane pot provoca fisuri n piesele din lemn, reducnd distribuia eforturilor n mbinare. n zonele seismice se recomanda realizarea cu precizie a acestor mbinri i utilizarea de preferin a buloanelor zvelte. Buloanele cu diametru mai mare de 16 mm se deformeaz puin i, prin urmare disiparea de energie este sczut. Este recomandat utilizarea buloanelor mpreun cu crampoanele cu dini. 3.8. Inele Din cauza capacitaii reduse de deformare plastic, utilizarea acestor mijloace de mbinare nu este indicat pentru mbinri disipative. 3.9. Crampoane (inele cu dini) Dac sunt bine concepute, acestea sunt capabile de o bun comportare plastic. Pentru prevenirea fisurrii lemnului, trebuie respectate distanele dintre dini. 3.10. Conectori cu dini ambutisai n cazul utilizrii conectorilor cu dini, exist eventualitatea unei rupturi fragile a plcii i a smulgerii dinilor. n consecin, nu sunt recomandai pentru utilizarea lor n mbinri disipative. 3.11. Reguli pentru mbinri 1. Se recomand evitarea utilizrii de elemente comprimate i a mbinrilor acestora (mbinrile prin chertare), care pot ceda din ncrcri alternante. 2. Buloanele i dornurile vor fi fixate prin pregurire. Buloanele i dornurile mari (d >16 mm) nu vor fi folosite n mbinrile lemn pe lemn i metal pe lemn, exceptnd combinaiile cu ali conectori. 3. Dornurile, cuiele netede i scoabele nu vor fi folosite fr rezerve adiionale (piese suplimentare de strngere buloane care se dispun n noduri sau pe lungimea elementului compus pentru a strnge pachetul de bare) mpotriva retragerilor.

4. n cazul ncrcrii perpendiculare pe fibre, rezervele adiionale vor fi folosite pentru evitarea despicrii lemnului. 5. Panourile cu structur din lemn mbinate cu cuie prezint o comportare ductil, superioar. Trebuie ca panoul s fie produs din lemn sau pe baz de lemn cu grosimea t1 > 4d, d fiind diametrul cuiului < 3,1 mm. 6. mbinrile cu cuie i dornuri, lemn pe lemn sau metal pe lemn sunt suficient de ductile atunci cnd grosimea minima a lemnului mbinat este de 8d i diametrul broei d 16 mm) nu vor fi folosite n mbinrile lemn pe lemn i metal pe lemn, exceptnd combinaiile cu ali conectori. 3. Dornurile, cuiele netede i scoabele nu vor fi folosite fr rezerve adiionale (piese suplimentare de strngere buloane care se dispun n noduri sau pe lungimea elementului compus pentru a strnge pachetul de bare) mpotriva retragerilor. 4. n cazul ncrcrii perpendiculare pe fibre, rezervele adiionale vor fi folosite pentru evitarea despicrii lemnului. 5. Panourile cu structur din lemn mbinate cu cuie prezint o comportare ductil, superioar. Trebuie ca panoul s fie un produs pe baz de lemn cu grosimea t1 > 4d, d fiind diametrul cuiului < 3,1 mm. 6. mbinrile cu cuie i dornuri, lemn pe lemn sau metal pe lemn sunt suficient de ductile atunci cnd grosimea minim a lemnului mbinat este de 8d i diametrul broei d < 12 mm. 7. Toate elementele trebuie s aib o legtur mecanic. Detaliile de realizare a pieselor de fixare trebuie concepute astfel nct s se evite deplasrile excesive (ieirea elementelor din suportul lor) ce pot conduce n final la pierderea stabilitii ansamblului structural. 8. Zonele disipative trebuie s ndeplineasc urmtoarele cerine: a. n mbinrile cu cuie, buloane i dornuri de tip lemn pe lemn i lemn pe metal, grosimea minim a elementelor mbinate este de 10d, iar diametrul minim al elementului de mbinare d nu trebuie s depeasc 12 mm. b. n pereii structurali i diafragme orizontale, elementele de placaj vor fi pa baz de lemn cu o grosime de minim 4d i diametrul cuiului d nu trebuie s depeasc 3,1 mm.

Dac aceste cerine nu sunt ndeplinite, dar estre asigurat o grosime minim de 8d pentru cazul a i 3d pentru cazul b, se vor utiliza valorile reduse pentru coeficientul de comportare , date n tabelul 4.2 (cap.4). 9. Sunt considerate ca zone disipate n noduri numai acele materiale i mbinri mecanice care au o comportare corespunztoare la solicitarea de oboseal. 10. mbinrile ncleiate sunt considerate zone ne-disipative. 11. mbinrile prin chertare pot fi folosite atunci cnd dovedesc capacitate suficient de disipare de energie, fr a prezenta riscul cedrii la forfecare sau ntindere perpendicular pe fibre. 12. Pentru materiale de finisaj (placaje) pentru perei i planee trebuie satisfcute urmtoarele condiii: a. Plcile din produse aglomerate derivate au densitatea specific de cel puin 650 kg/m3; b. Plcile din placaje au grosimea de cel puin 9 mm; c. Plcile din PFL i PAL au grosimea de cel puin 13 mm. [top]

Cap. 4. RSPUNSUL STRUCTURII LA ACIUNI SEISMICEMecanismul de rezisten al structurii la orice aciune dinamic este bazat pe capacitatea de absorbie a energiei induse. Deformaiile au un rol la fel de important ca i eforturile. n domeniul plastic de comportare, absorbia (prin disiparea) de energie este eficace. Concepia modern a calculului construciilor supuse aciunii seismice const n realizarea de structurii ductile, care s permit disiparea de energie prin deformaii post elastice i n stabilirea de fore de inerie reduse considerabil (cu coeficientul ) n raport cu cazul comportrii pur elastice. Dificultile i incertitudinile de calcul n domeniul post elastic conduc, n practic, la adoptarea unor metode mai simple, cu un caracter pragmatic, metode de calcul liniar echivalente pentru calculul dinamic (analiz modal) sau pentru calculul static echivalent, bazate pe luarea n considerare a unui model elastic: - n cazul n care intereseaz solicitarea maxim n structur aciunea seismic este introdus sub form de spectru de rspuns; - structura se presupune c are un rspuns liniar, modelul este considerat ca fiind elastic, dar trebuie s se in cont de gradul de plastificare sau de fisurare care poate s se dezvolte n funcie de nivelul intensitii aciunii seismice i alctuirea structurii; - se presupune c structura are un coeficient de comportare unic pentru toat structura; - la dimensionare, rezultatele obinute din calculul elastic (efectuat pornind de la spectrele de dimensionare) trebuie mprite prin coeficientul pentru a se obine solicitrile de dimensionare la strile limit dorite.

4.1. Expresia forelor seismice de cod Relaia de calcul pentru determinarea ncrcrilor seismice statice echivalente corespunztoare direciei de micare considerate pentru teren i modului propriu de vibraie r se determin cu relaia (P 100/92): Sr = cr G

unde: cr coeficientul seismic global corespunztor modului de vibraie r; G rezultanta ncrcrilor gravitaionale pentru ntreaga structur;

coeficient de importan a structurii, n funcie de clasa de importan a cldirii;ks coeficient n funcie de zona seismic de calcul a amplasamentului;

r coeficient de amplificare dinamic n modul r de vibraie, n funcie de compoziia spectral a micriiseismice de amplasament;

r coeficient de echivalen ntre sistemul real i un sistem cu un grad de libertate corespunztormodului de vibraie r;

coeficient de reducere a efectelor aciunii seismice innd seama de ductilitatea structurii, de

capacitatea de redistribuie a eforturilor, de ponderea cu care intervin rezervele de rezisten neconsiderate n calcul, precum i de efectele de amortizare a vibraiilor, altele dect cele asociate structurii de rezisten. Coeficienii din expresia forei seismice echivalente au aceleai semnificaii ca pentru toate tipurile de construcii, cu excepia coeficientului pentru care se fac o serie de precizri n continuare. Au fost luate n considerare expresiile forelor seismice statice echivalente din codul francez PS 2 i EUROCODE 8, reinndu-se valorile pentru factorul de comportare q care este echivalent cu coeficientul de reducere a forelor seismice , n relaia : = 1/q. 4.2. Amortizare Rspunsul structurii supuse unei fore seismice, variabil n raport cu timpul, depinde de proprietile de amortizare a materialelor constitutive, a mbinrilor i legturilor cu mediul nconjurtor (interaciunea solstructur). Fenomenele fizice care intervin n amortizare sunt: frecare, viscozitate i plasticitate a materialelor etc. Practic, amortizarea unei structuri se compune din: - amortizare intern sau structural; se produce n material datorit deformaiilor la care este supus i reprezint principala cauz de disipare de energie; are doi termeni:

amortizare vscoas, legat de vsco-elasticitatea materialului i depinde de frecven; caracterizeaz capacitatea de absorbie a materialului n domeniul elastic; amortizarea de histerezis, independent de frecven i avnd originea n comportarea neliniar a elementelor structurale; n domeniul elastic, ea tinde ctre zero;

- amortizri externe, care corespund diferitelor frecri, n special celor existente la suprafaa de contact ntre structur i elementele nestructurale. Pentru uurina calcului, amortizrile externe i cele de histerezis sunt considerate ca o amortizare de tip vscos, cu aceeai disipare de energie. Amortizarea total echivalent se exprim n funcie de amortizarea efectiv, c, i este dependent de perioada proprie de vibraie a sistemului (fig. 4.1). n timpul rspunsului liniar al structurii, sub aciunea seismic, absorbia de energie este datorat n principal amortizrii. Atunci cnd structura are incursiuni n domeniul post-elastic, efectele creterii amortizrii reale sunt incluse n coeficientul de amortizare . Amortizarea echivalent (de tip vscos) este luat n calcul la stabilirea spectrului de calcul. Coeficientul de amortizare are urmtoarea expresie: = amortizare efectiv / amortizare critic = c / c0. Exist trei situaii: 1. c c0 ; > 1 Masa revine asimptotic n repaus fr a fi efectuat oscilaii (amortizare prea mare). 2. c = c0 ; = 1 Micarea nu prezint oscilaii. Pune n eviden momentul n care micarea i pierde caracterul vibrator. 3. c < c0 ; < 1. Masa efectueaz o serie de oscilaii de amplitudine descresctoare asimptotic ctre zero (amortizare slab). Reprezint cazul interesant pentru analiza comportrii dinamice a structurilor. Cu ct amortizarea este mai important, cu att amplificarea spectrului este mai slab (fig. 4.1). Coeficientul de amortizare (%) pentru structuri din lemn (structuri cu puine elemente secundare) n funcie de tipul mbinrii are urmtoarele valori: - din lemn lamelat ncleiat = 4; - mbinare cu buloane = 4; - mbinate cu cuie = 5. Dac coeficientul de amortizare 5 % spectrele de dimensionare trebuie corectate cu coeficientul : = [5 / ]0,4 Coeficientul de corecie pentru structuri cu puine elemente secundare: Structuri din lemn: - din lemn lamelat ncleiat = 1,09; - mbinate cu buloane = 1,08; - mbinate cu cuie = 1. 4.3. Coeficientul de comportare Coeficientul depinde de neliniaritatea legii de comportare, de variaia coeficientului de amortizare i de distribuia forelor pe nlimea construciei, ca i de comportarea dinamic real n raport cu comportarea elastic liniar. De asemenea, depinde i de nivelul forei seismice, ntruct pentru un seism de intensitate redus structura rmne n domeniul de comportare elastic ( =1). Valorile coeficientului sunt asociate spectrelor de dimensionare i in cont de influena coeficientului de amortizare propriu fiecrei construcii. n concordan cu comportarea lor ductil i capacitatea de disipare de energie sub aciuni seismice, structurile din lemn trebuie s aparin uneia dintre cele trei clase de ductilitate n care factorul de comportare are valorile din tabelul 4.1. Denumirile de clase de ductilitate sunt: n EC 8 Low, Medium i High; n PS 92 I, Ii i III. n continuare, s-au adoptat notaiile de I, II i III. Tabelul 4.1. prezint tipul de structur, clasa de ductilitate asociat, precum i valorile coeficientului propus.

Pentru structuri cu regularitate medie, coeficientul se majoreaz cu 15% fa de valorile din tabel. Pentru structuri neregulate, coeficientul se majoreaz cu 40% fa de valorile din tabel. Elementul structural cel mai puin ductil din ansamblul structurii de rezisten determin valoarea coeficientului . Dac elementele zonelor disipate nu ndeplinesc condiiile cerute n capitolul 3, paragraful 3.6, coeficientul se ia conform valorilor din tabelul 4.2. Tabelul 4.1. Coeficieni de reducere pentru structuri Tip de structur Structuri non disipative: - console - grinzi cu mbinri n consol Structuri cu o capacitate redus de disipare de energie: - arpante asamblate cu buloane (ductilitate II) - arpante asamblate cu cuie - arpante asamblate cu buloane (ductilitate III) - arpante asamblate cu cuie (ductilitate III) Cadre cu mbinri cu buloane (ductilitate III) Structuri cu o capacitate redus de disipare de energie (ductilitate III) - grinzi - arce cu 2 sau 3 articulaii - arpante asamblate cu conectori sau inele - structur din panouri cu fee lipite Structuri cu o capacitate medie de disipare de energie: - cadre cu mbinri cu buloane (ductilitate II) Structuri cu o capacitate mare de disipare de energie: - structur din panouri (ductilitate III) Tabelul 4.2. Tipuri structurale i coeficient redus Tipuri de structuri Portale cu noduri mbinate cu buloane i domuri Perei din panouri mbinai cu cuie Coeficient de comportare 0,40 0,25 Structuri regulate 1

0,50 0,80

0,33 0,66 0,25

0,66

0,40 0,50 0,20 0,33

4.4. Semnificaia coeficientului Protecia antiseismic autorizeaz, pentru cea mai mare parte a structurilor, incursiuni n domeniul plastic, cu valori ale coeficientului