Universitatea Politehnica TimioaraCC 11 77Siguranta structurilor la actiuni speciale Siguranta structurilor la actiuni specialeCursCurs 11 - - 77Master, an IAciunea vntului Aciunea vntuluiAciunea vntului Vanturile puternice - o caracteristica relativ previzibila a Vanturile puterniceo caracteristica relativ previzibila a naturii Pagubele produse de vanturile puternice printre celeg p p pmai importante (peste 80 mld $ doar in USA si Europa) Sunt necesare masuri de reducere a efectelor Prevenirea populatiei (prognoze imbunatatite) Masuri de reducere a riscului producerii de avarii asupra constructiilor constructiilor Trebuie gasit un nivel al riscului acceptabil din punct de vedere economic vedere economic Cladirile nu sunt calculate la vanturi extreme (ex.: cele produse de tornade de gradul F5) aici intervine robustetea structurilor si redundanta acestora)Aciunea vntului Direcii de aciune: Direcii de aciune: Cooperare interdisciplinara Cercettori Ingineri Arhiteci Autoritati Autoritati Asociaii profesionale ConstructoriI tit ii fi i i d i i Instituii financiare si de asigurri Problemele trebuie analizate la nivelul intregii cladiri (structura + inchideri) ) Cooperare internaionalaCiticorp Center 1977: New York 279m, 59 nivele inginer structurist: William J. LeMessurieri l i construit pe patru stlpi masivi de 44m + un nucleu central: urmare a nelegerii central: urmare a nelegerii cu biserica luterana: biserica vindea terenul, dar , vroia o noua biserica, care s fie distinct de cldirea multietajat multietajat vrful tiat la 45, pentru dispunerea unor panouri dispunerea unor panouri solare (proiect nerealizat)Citicorp Center 1978 - pornind de la ntrebarea unui student, s-a descoperit c mbinrile cu descoperit c mbinrile cu uruburi nu rezistau unui uragan la 45 fa de axeleu aga a 5 a de a e eprincipale ale cldirii n urmtoarele 3 luni o echip de sudori a ntrit mbinrile folosind eclise d t sudate cldirea este dotat astzi cu un amortizor TMD de 400 cu un amortizor TMD de 400 tone, care reduce deplasrile laterale ale deplasrile laterale ale structurii cu 40%Aciunea vntului Actiunea vantului se manifesta prin: Actiunea vantului se manifesta prin: acceleraii (confortul ocupantilor) eforturi structurale deplasri (degradri nestructurale) Tendintele actuale in constructii: Cladiri mai inalte, cu deschideri mari Structuri mai zvelte si mai usoare Probleme in asigurarea cerintelor de proiectare Desi proiectarea poate satisface cerintele SLU (eforturi) si SLS (deplasarile de nivel), nivelul de acceleratii poate cauza disconfort ocupantilor disconfort ocupantilorAciunea vntului acceleraii (confortul uman) Valoarea de varf - peak accelerationRMS l f ti fi RMS valoare efectiva eficaceAciunea vntului acceleraii (confortul uman)Aciunea vntuluiFactori care afecteaza raspunsul oamenilor: acceleraii (confortul uman)1. Perioada cladirii toleranta creste cu cresterea perioadei cladirii.2. Femeile sunt mai sensibile decat barbatii.3. Copii sunt mai sensibili decat adultii. 3. Copii sunt mai sensibili decat adultii.4. Corpul uman este mai sensibil la miscarile fata spate decat la miscari laterale5. Pragul de detectie este mai mare daca persoanele se afla in miscareAciunea vntului deplasri- degradri nestructurale asociate deformaiilor lateraleEfectele actiunii vantului Dr Jack E Cermak Colorado State University parintele Dr. Jack E. Cermak, Colorado State Universityparinteleingineriei vantului 1959 - Fluid Dynamics Laboratory at Colorado State Procedurile actuale de calcul la vant Consultant sau proiectant pentru multe cladiri importante (WTC) primul studiu cuprinzator asupra factorilor care intervin in calculul unei cladirip pinalte la actiunea vantului Efectele aciunii vntului asupra constructiilor depind de:Efectele actiunii vantuluiEfectele aciunii vntului asupra constructiilor depind de:1. Amplasament, mediu construit nvecinat 2. Proprietatile vntului3. Forma, dimensiuni, orientare construcie 3. Forma, dimensiuni, orientare construcie4. Proprietatile dinamice ale construcieiProprietatile vantului Siguranta cladirilor sub incarcarea din vant modelarea corespunzatoare a efectelor acestuia Daca in deplasarea sa vantul nu intalneste obstacole, miscarea este laminara Datorita frecarii de relieful neregulat de la suprafata pamantului (SLA), viteza se reduce si energia corespunzatoare se dirijeaza in miscari turbionare care se suprapun peste miscarea generala Miscarea este deci turbulenta si nu laminara Parametrii vantului Parametrii vantului1. Viteza medie a vantului, turbulenta, Spectrul de putere al turbulenei2. Caracterul dinamic al incarcarii din vant3 Rspunsul structurii pe direcia vntului (longitudinal) 3. Rspunsul structurii pe direcia vntului (longitudinal)4. Rspunsul structurii pe direcia perp. pe dir. vantului (transversal)Proprietatile vantului1 a 1 a Viteza medie a vantului Viteza medie a vantului 1.a1.a Viteza medie a vantului Viteza medie a vantului Viteza vantului la mare inaltime deasupra suprafetei globului este cvasi-constanta si se numeste gradientul vantului La mica inaltime deasupra suprafetei, viteza este afectata de fortele de frecare exista un strat in care viteza scade de la viteza gradientului la valoarea zero - strat de separatie (strat limita atmosferic SLA) sau inaltimea gradientului Analizand diagrama variatiei in timp a componentei longitudinale a vitezei vantului, se poate observa ca aceasta poate fi descompusa in doi termeni: Unul constant, care reprezinta efectul mediu (termen static) Unul variabil, care corespunde fluctuatiilor in jurul valorii medii, respectiv rafalelor (termen dinamic) p ( )Proprietatile vantului1 a 1 a Viteza medie a vantului Viteza medie a vantului Deoarece variatia intensitatii vitezei este neregulata in timp, intervalul de mediere influenteaza rezultatele obtinute1.a1.a Viteza medie a vantului Viteza medie a vantului Din analiza spectrelor energetice ale vantului, rezulta ca un interval de mediere corectar fi intre 5 si 30 de min, eventual 10-20 min. De exemplu, in cazul inregistrarii facute pe aeroportul Le Bourget, daca medierea se face pe 17h rezultatul este de 10.3m/sec, daca medierea se face pe 30 min se obtin 20m/sec iar daca se face pe cateva secunde (pentru a evidentia rafalele) se obtin 26m/sec. In domeniul 1 min 1 h raportul dintre viteza mediata si viteza mediata pe o ora are o lege de variatie liniara daca se alege scara logaritmica Viteza vantului mediata pe o ora - Viteza medie orara a vantului Proprietatile vantuluiU Profilul vitezelor medii ale vantului pe inaltime poate fi descris printr-o lege de putere:U - viteza medie la inaltimea zinaltimea de referinta (10m)refz - inaltimea de referinta (10m)- exponentul lui Davenport Alternativ, se poate folosi o lege logaritmicau*= viteza de frecareK = constanta von Karman = 0.4l i it tii z0= lungimea rugozitatiid = inaltimea planului zero deasupra suprafetei, in care viteza este zero (1 2m sub inaltimea medie a elem ce dau 2m sub inaltimea medie a elem. ce dau rugozitatea: cladiri, arbori, etc)1.b1.b TTurbulena urbulenaProprietatile vantului Masuratorile de viteza din SLA au evidentiat caracterul fluctuant al vitezei locale a vantului Viteza poate fi reprezentata sub forma unui vector u v w componentele fluctuante ale rafalei de vant pe x y z u, v, w componentele fluctuante ale rafalei de vant pe x, y, z (longitudinal, lateral, vertical) denumite si pulsatii u(z,t) important pentru cldiri nalte( t) i t t t t t i fl ibil ti l ( t t i w (z,t) important pentru structuri flexibile pe vertical (structuri cu deschidere mare ex. poduri)Variatia componentei de rafala Variatia componentei de rafalaProprietatile vantului Componenta de rafala a vitezei vantului este tot o viteza medie temporala, dar pentru un interval de mediere mult mai redus Componenta de rafala poate fi caracterizata prin valori statistice medii pentru descrierea variabilitatii datelor Se poate defini variana componentei de rafala conform relatiei (media Se poate defini variana componentei de rafala conform relatiei (media patratica a componentei de rafala): 2 2 21Tudt uTo = =}0T }Ecartul tip alEcartul tip al componentei de rafala componentei de rafala O alta caracteristica ce caracterizeaz componenta de rafala este ecartul (numit si abatere medie patratica sau viteza RMS)2 2 21T} Pentru componenta longitudinala a turbulentei:2 2 201u udtTo o = = =}p gT0 perioada de mediere Intensitatea adimensionala a turbulenteiIntensitatea adimensionala a turbulentei Proprietatile vantului In vederea determinrii mrimii pulsaiilor de viteza in jurul vitezei medii temporale in raport cu viteza medie, se utilizeaz o mrime adimensionala numita intensitate adimensionala a turbulentei: adimensionala numita intensitate adimensionala a turbulentei:2201TRMSudtTU uIo= = = =} Pentru componenta longitudinala a turbulentei:U U U U Intensitatea turbulentei variaza pe altitudinet i lti t it t di creste cu inaltimea pe un teren cu rugozitate medie Scade cu inaltimea pe un teren cu rugozitate redusa1.c Spectrul de putere al turbulenei 1.c Spectrul de putere al turbuleneiProprietatile vantului Caracteristicile fluctuante ale turbulentei pot fi exprimate sub forma spectrului de putere al turbulentei, care exprima puterea sau energia cinetica pe unitatea de timp asociate cu vartejuri de diferite frecvente cinetica pe unitatea de timp asociate cu vartejuri de diferite frecvente Se pot distinge mai multe tipuri de spectre: Functie de componenta vitezeiF ti d di ti d l ti Functie de directia de corelatie Spectrul de putere al componentei longitudinale a vitezei (rel. Davenport)( )24nS znn ( )( )( )02 42 30,4101nS znnk Un= (+ Spectrul de putere al componentei verticale a vitezei(rel. Panofsky si McCormick):( )06nS nn ( )( )( )02 2010 1 4 k U n= (+ In care:n frecventa rafalelorS(n) densitatea spectrala de putere la frecventa n si inaltimea zn0 frecventa adimensionala adica raportul dintre inaltimea z si lungimea de unda U(10)/n K constanta lui Karman ( ~0.4) 2.2. Fortele dinamice induse de vant Fortele dinamice induse de vantProprietatile vantului Un corp fara contur aerodinamic intr-o curgere bidimensionala este supus unei actiuni orientate in directia curgerii (forta de antrenare F ) si alteia Componenta datorata curgerii uniforme a vntuluiunei actiuni orientate in directia curgerii (forta de antrenare FD) si alteia orientate perpendicular pe curgere (forta de ridicare FL) Daca rezultanta fortelor este excentrica, corpul va fi solicitat si la torsiune Pentru cazul curgerii uniforme, componentele fortelor si momentului pe unitatea de inaltimese determina cu relatiile:- Viteza medie a vantului- Densitatea aerului- Coeficienti aerodinamiciB lungimea caracteristica a obiectului (ex. lungimea proiectiei normalei pe directia vantului)Caracterul dinamic al incarcarii din vant Caracterul dinamic al incarcarii din vantProprietatile vantului Componenta datorata curgerii uniforme a vntuluiSimularea numerica a vantului in jurul unor cladiriProprietatile vantului Componenta datorata curgerii uniforme a vntului Coeficientul aerodinamic CDeste prezentat in figura, in funcie de diferite rapoarte D/B Pentru corpurile alungite (rapoarte mari D/B) liniile de curent care se despartComponenta datorata curgerii uniforme a vntului Pentru corpurile alungite (rapoarte mari D/B) liniile de curent care se despart la colturile din partea din fata se realipesc la suprafaa laterala a corpului dnd natere unui siaj mai ngust. Acest lucru se datoreaz reducerii forei de antrenare pentru corpurile alungite Pentru cladiri cu forma cilindrica antrenare pentru corpurile alungite. Pentru cladiri cu forma cilindrica, coeficientul de antrenare depinde de numarul Reynolds. - densitatea aerului - viscozitateaSiaj viscozitatea dinamica a aerului Fortele de ridicare sau momentele de torsiune apar de regula doar la cladirile asimetrice sau la care vantul nu actioneaza dupa directia mediana In realitate aceste doua fenomene apar atat la cladirile nesimetrice cat si la In realitate, aceste doua fenomene apar atat la cladirile nesimetrice cat si la cele simetrice, datorita formarii vrtejurilorProprietatile vantului Componenta datorata curgerii uniforme a vntului Componenta datorata curgerii uniforme a vntuluiPunct de stagnarePunct de separatieDesprinderea vartejurilor in siajul unui corp fara forma aerodinamica Distributia asimetrica a presiunii induse de desprinderea vartejurilor conduce la aparitia unor forte transversale alternante (forte de ridicare). Frecventa de desprindere a acestor vartejuri ns(in Hz) este legata de un parametru adimensional numit numarul lui Strouhal, S, definit astfel: Pentru obiecte cilindrice, numarul lui Strouhal, S, variaza cu numarul Reynolds. In domeniul 4x105< Re< 3x106desprinderea vartejurilor este aleatorie iar in stratul de separatie de langacilindru curgerea trece din laminara in turbulenta cilindru curgerea trece din laminara in turbulenta.In afara acestui interval, formarea vartejurilor este regulata producand o miscare perioadica de ridicareProprietatile vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Viscozitatea joaca un rol important in miscarea fluidelor (vantului). Miscarea fluidelor vascoase apare in doua moduri distincte: p Miscarea laminara, caracterizata prin deplasarea fluidului in straturi paralele Miscarea turbulenta, caracterizata prin amestecarea violenta a fluidului Modul de miscare este conditionat de marimea relativa a vitezelor si fortelor Modul de miscare este conditionat de marimea relativa a vitezelor si fortelor vascoase La valori mici ale vitezelor, fortele vascoase sunt suficient de mari pentru a mentine miscarea in straturi paralele (curgere laminara) mentine miscarea in straturi paralele (curgere laminara) Aparitia unuia din cele doua tipuri de curgere depinde de valoarea numarului Reynolds.Proprietatile vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Atunci cand vantul are un caracter turbulent, viteza vantului pe directia vantului este descrisa de relatia: - Viteza medie a vantuluiu(t) componenta fluctuanta pe directia vantului Forta exercitata pe unitatea de inaltime se obtine din ecuatiile (1) si (2) inlocuind U cu U(t) si va avea forma:(1)darComponenta medie( )(2)- Componenta medie- Componenta fluctuantaProprietatile vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Efectul aciunii fluctuante a vantului Densitatea spectrala a componentei fluctuante a fortei de antrenare se obtine din transformarea Fourier a functiei de corelare: In practica prezenta unei structuri influenteaza miscarea turbulenta in special- Densitatea spectrala a vitezei turbulente(1)In practica, prezenta unei structuri influenteaza miscarea turbulenta, in special vartejurile de mica intensitate. Pentru a lua in considerare aceste efecte, s-a introdus un factor de corectie cunoscut sub numele de functie de admitanta aerodinamica cunoscut sub numele de functie de admitanta aerodinamica Valoarea acestei functii se poate determina cu formula empirica urmatoare:A aria frontala a structurii Formula (1) devine:Aaria frontala a structurii( )3.3. RRspunsul structurii n direcia vntului spunsul structurii n direcia vntuluiProprietatile vantuluip p Structurile inalte si zvelte (dimensiuni mici in plan compar. cu inaltimea) pot fi modelate cu suficienta acuratete printr-o consola consola Daca structura este modelata ca un sistem continuu, ecuatia miscarii pentru componenta aflata pe direcia vntului poate fi scrisa astfel:- Componenta fluctuantam masac amortizareaEI, GA rigiditatea la ncovoiere si forfecare pe unitatea de lungimeC t l l i t t l Componentele rspunsului structural:- componenta nerezonant (B)- componenta rezonant (D)44.. R Rspunsul structurii perpendicular pe direcia vntului spunsul structurii perpendicular pe direcia vntuluiProprietatile vantului Pentru structurile inalte, raspunsul perpendicular pe directia vantului este mai important decat cel pe directia vantului Vibratiile perpendiculare pe directia vantului sunt generate de o combinatie de factori si anume: oscilatii datorate turbulentei (efecte reduse) Efectele produse de desprinderea vartejurilor oscilaii auto-ntreinute (situatia in care frecventa vartejurilor tinde sa se cupleze cu frecventa structurii - rezonan)Fenomenul de rezonanta trebuie evitat prin controlul asupra perioadei proprii Fenomenul de rezonanta trebuie evitat prin controlul asupra perioadei proprii a construciei Fenomenul de rezonanta se poate produce atunci cand structura are o rigiditate si o amortizare redusa. Daca deplasarea RMS la varful cladirii este sub o anumita valoare critica, atunci rezonanta nu se poate produce.44.. R Rspunsul structurii perpendicular pe direcia vntului spunsul structurii perpendicular pe direcia vntuluiProprietatile vantului Latimea benzii si concentrarea energiei depinde de geometria cladirii si modul de abordare a curgeriiDaca structura este modelata ca o consola, deplasarea transversala y(z,t) se poate exprima in functie de coordonatele normale ri(t): In care:i(z) modul i de vibratie in directie transversalaN numarul de moduri considerate44.. R Rspunsul structurii perpendicular pe direcia vntului spunsul structurii perpendicular pe direcia vntuluiProprietatile vantului Ecuatia generala a miscarii scrisa in termeni de masa generalizata m*i, amortizare generalizata c*isi rigiditate generalizata k*iare forma: in care:Densitatea spectrala a fiecarei coordonate se poate determina astfel:I Hi(n) I functia de admitanta mecanicaSfi* -densitatea de putere spectrala a fortei generalizate transversaleVarianta cordonatei normale rieste data de:(1)44.. R Rspunsul structurii perpendicular pe direcia vntului spunsul structurii perpendicular pe direcia vntuluiProprietatile vantului De aici, varianta deplasarii transversale se obtine astfel: In ecuatia anterioara (1), daca se neglijeaza copntributia componentei nerezonante, atunci raspunsul RMSin termeni de deplasare se obtine cu relatia:Pentru o interpretare mai simpla, se pot folosi valorile experimentale determinate de Kwok & Melbourne si Saunders & Melbourne, functie de raportul dimensiunilor cladirii. Sunt doua abordari principale legate de actiunea vantuluiForma, dimensiuni, orientare construcieSunt doua abordari principale legate de actiunea vantului1. Actiunea vantului asupra cladirilor rezidentiale sau cu inaltime redusa2. Actiunea vantului asupra cladirilor inalte1. Actiunea vantului asupra cladirilor rezidentiale- Sa admitem ca vantul sufla de la stanga la dreapta si actioneaza asupra cladirii din figura de mai jos- Viteza vantului va fi redusa de peretii verticali insa isi mareste viteza de-a lungul peretilor laterali. P tii l t li fi i l ti Peretii laterali vor fi supusi la suctiune1. Aciunea vntului asupra cldirilor rezidenialeForma, dimensiuni, orientare construcie Atunci cnd o cldire este nchisa, ea este acionata simultan att de presiunea interna cat si de cea externa Daca insa cldirea are un gol, presiunea interna se apropie de intensitatea suctiunii externe astfel ca intensitatea rezultanta a aciunii din vnt creste suctiunii externe, astfel ca intensitatea rezultanta a aciunii din vnt cresteForma, dimensiuni, orientare construcie Elementele structurii de rezistenta a cldirilor si mbinrile lor trebuie sa1. Aciunea vntului asupra cldirilor rezidenialeElementele structurii de rezistenta a cldirilor si mbinrile lor trebuie sa posede suficienta rezistenta pentru a rezista aciunii vntului. Pot sa apara mai multe moduri de cedare:rasturnare rasturnare alunecare ridicare2. Actiunea vantului asupra cladirilor inalteForma, dimensiuni, orientare construcie Proiectarea cladirilor inalte este in multe situatii guvernata de conditiile de exploatare (deplasari de nivel, acceleratii de nivel)I l it tii t d t i t fi i t t In unele situatii, componenta de torsiune poate fi importanta Probleme deosebite la elementele de inchidere, in special la colturi si in zonele de schimbare a formei In anii 30 primele studii in tunelul de vant - Empire State Building Incepand cu anii 70, studiile in tunelul de vant au cuprins si componenta fluctuanta (turbulenta) Prima aplicatie importanta - WTC fluctuanta (turbulenta). Prima aplicatie importanta - WTC 2. Actiunea vantului asupra cladirilor inalteForma, dimensiuni, orientare construcie Raspunsul dinamic: mult mai important decat la cladirile joase vibratiile transversale mai importante decat cele pe directia vantului la vibratiile transversale mai importante decat cele pe directia vantului la cladiri peste 100m raspunsul este puternic influentat de forma colturilordeflection eight.003.004motionPeak dhe0.001.002Direction of Interferenta cu mediul construit invecinat cladirile invecinate pot influenta semnificativ raspunsul030 50 100 500 1000Return period/years Amortizarea: contribuie la disiparea energiei amortizarea structurala limitataAmortizori pasivi viscoelasticiamortizarea structuralalimitata amortizare suplimentaraAmortizori pasivi viscoelasticiMase amortizoare acordateAmortizori activi acordatiAmortizori activiacordatiMase amortizoareacordateAmortizori pasivi viscoelasticiYokohama Landmark Tower, 295.8 m acordatiacordateviscoelasticiWorld Trade Center, 417 mBurj al Arab, Dubai, 321 mTaipei 101 , 509.2 mReducere: 29% 39% a acceleratiilor structuriiCirca 10 000 amortizori dispusi in structura -Vanturi cu caracter extrem Cldirile sunt de regula proiectate sa reziste la vnturi cu viteze maxime de 140 Cldirile sunt de regula proiectate sa reziste la vnturi cu viteze maxime de 140 240 km/h. Printre fenomenele care conduc la vnturi extreme se numra uraganele si tornadele to ade e Dei in tara noastr producerea tornadelor este foarte rara, in ultimii ani s-au nregistrat unele tornade de mica intensitateNeptun, Iunie 2005Actiunea extrema a vantului asupra cladirilor - tornade In Statele Unite se inregistreaza anual cele mai multe si mai puternice tornadeScara Fuj it a( sau Fuj it a Pearson)U lActiunea extrema a vantului asupra cladirilor - uraganele Uraganele: Furtuni tropicale insotite de vanturi care pot depasi 120 km/h. Vanturile care insotesc uraganul se rotesc intr-o spirala in jurul unui centru relativ calm numit ochiul uraganului numitochiul uraganului Acest ochi are de regula diametrul de 30 45 km Pentru masurarea intensitatii uraganelor, se folosesc cele 5 clase de intensitate ale scarii Saffir Simpson intensitate ale scarii Saffir-SimpsonAn Eveniment Pagube materiale1992 Andrew $20.8 miliardeCategorie Vant maxim (Km./h) Pagube1 118 153 Minim2004200419892004200419981965CharleyIvan HugoFrancesJeanneGeorgesB t$ 7.5 miliarde $ 7.1 miliarde $ 6.4 miliarde $ 4.6 miliarde $ 3.7 miliarde $ 3.4 miliarde $ 3 1 ili d1 118 153 Minim2 154 177 Moderat3 178 209 Extensiv4 210 250 Extrem1965199519992005BetsyOpalFloydKatrina$ 3.1 miliarde $ 2.6 miliarde $ 2.2 miliarde105 miliarde5 > 250 CatastroficAplicatie 1 Date intrare H = 194 m Amplasament: zona suburbana Amplasament: zona suburbana Deschidere B = 56 m, Lungime D = 32 m Perioada fundamentala de vibratie 5.15sec Valorile vectorului propriu: Valorile vectorului propriu: Masa generalizata 18 x 106kg Amortizarea 2% Profilul vitezelor medii ale vantului -o = 0.22 Perioada de revenire 50 ani Viteza 21 m/s la zref= 10m Viteza de frecare 2.96 m/s Viteza de frecare2.96 m/s Coeficientul de antrenare CD= 1.3 Densitatea aerului Se cer:- Deplasarea si acceleratia maxima pe directia de actiune a vantuluiAplicatie 1RezolvareInaltimea medie a cladirii:Viteza medie la mijlocul inaltimii:Frecventa redusa la mijlocul inaltimii: Frecventa redusa la mijlocul inaltimii:Din ecuatia spectrului de putere: Din ecuatia spectrului de putere:Spectrul componentei turbulenteDar frecventa fundamentala este Spectrul componentei turbulenteAplicatie 1Valoarea admitantei va fi:Din ecuatia densitatii spectrale a fortei generalizate(1), dupa inlocuire se obtine :(1)Aplicatie 1Unde coerenta s-a determinat cu formulele de mai jos:Valori recomandateiar:Cy = 16Cz= 10iar:Din ecuatiile (1) si (2), se determina variana deplasarii nerezonante ( oB) si rezonante ( oD) la varful cladirii(1) (1)(2)Di l ti t bti f t li t diAplicatie 1Din relatia urmatoare se obtine forta generalizata medie:Rigiditatea echivalenta se obtine cu relatia:si este egala cu:Aplicatie 1Deplasarea medie va fi egala cu: Deplasarea medie va fi egala cu:Cu ajutorul relatiei urmatoare se obtine factorul de varf gD al raspunsului rezonant :T 3600 sec T0= 3600 secv = n= 3.78Factorul de varf gBal raspunsului nerezonant este de regula egal cu 3 5Efectele maxime (deplasari, acceleratii) se obtin cu relatia generala :Factorul de varf gB al raspunsului nerezonant este de regula egal cu 3.5gsi cu relatiile urmatoare:Aplicatie 1Deplasarea maxima la varful cladirii este egala cu:A l ti i l di ii t l Acceleratia maxima a cladirii este egala cu:Aplicatie 2 Date intrare Aceeasi cladire ca in aplicatia 1 Se considera ca primul mod fundamental este dupa directie transversala pe Se considera ca primul mod fundamental este dupa directie transversala pe directia vantului T1 = 5.2sec Amplasament: zona suburbana Deschidere B = 56 m Lungime D = 32 m Deschidere B = 56 m, Lungime D = 32 m Masa generalizata 17.5 x 106kg Amortizarea 2%P i d d i 10 i Perioada de revenire 10 ani Viteza 14 m/s la zref= 10mSSe cer:- Acceleratia maxima pe directia perpendiculara pe directia vantuluiAplicatie 2RezolvareRaportul laturilor cladirii este:Deoarece cladirea este amplasata intr-o zona suburbana forta generalizata Deoarece cladirea este amplasata intr o zona suburbana, forta generalizata transversala se determina cu ajutorul figurii de mai jos.Viteza medie la varful cladirii este:Aplicatie 2Viteza medie la varful cladirii este:Frecventa redusa la mijlocul inaltimii este egala cu:Din figura anterioara se obtine:Din ecuatia urmatoare (1) dupa inlocuire se obtine(1)Aplicatie 2Luand in considerare o valoare a factorului de varf gDal raspunsului rezonant egala cu 4, se obtine acceleratia maxima transversala:Incercari in tunelul de vant In procesul curent de proiectare este foarte usor sa se confunde cerintele In procesul curent de proiectare, este foarte usor sa se confunde cerintele minime exprimate in codurile de incarcari cu incarcarile reale care solicita o structuraIncarcarile din vant prevazute in majoritatea standardelor si normelor se Incarcarile din vant prevazute in majoritatea standardelor si normelor se bazeaza pe cercetari desfasurate in urma cu circa 40 de ani pe o serie de cladiri avand diferite forme. In timp ce acele forme arhitecturale sunt folosite si astazi, arhitectii si inginerii recurg din ce in ce mai des la forme si solutii structural mult diferite de cele clasice In plus, chiar si atunci cand avem cladiri cu forme cunoscute, amplasarea lor se face in zone in care cladirile invecinate sau formele de teren pot modifica semnificativ starea de incarcare, prin adapostirea cladirii sau, p pdimpotriva intensificarea turbulentelor. Incarcarile determinate cu prevederile din norme pot sa fie in acest caz prea mici sau mult prea mari fata de cele reale prea mici sau mult prea mari fata de cele reale Pentru depasirea acestor probleme, majoritatea normelor de calcul prevad posibilitatea estimarii incarcarii din vant pe baza incercarilor in tunelul de vant tunelul de vant.Incercari in tunelul de vant Incercari in tunelul de vant Cand se impune incercarea in tunelul de vant? Cladirea are peste 20 de etajeCl di t 10 t j d fl i t t i t i Cladirea are peste 10 etaje dar se afla intr-o zona cu vanturi puternice Forme neregulate Zone invecinate complexe Zone invecinate complexe Optimizarea costurilor si imbunatatirea siguranteiIncercari in tunelul de vant Procesul de modelare cuprinde: O etapa teoretica Stabilirea conditiilor de similitudine Stabilirea conditiilor de similitudine Proiectarea modelului Stabilirea modului de prelucrare a datelor experimentale O etapa tehnologico-experimentala Construirea modelului Realizarea masuratorilor Realizarea masuratorilor Teoria modelarii are la baza: Analiza dimensionala Analiza dimensionala Teoria similitudinii Metode specifice modelarii actiunii vantului O importanta deosebita o are stabilirea criteriilor de similitudine si verificarea compatibilitatii acestoraIncercari in tunelul de vantCriteriile si conditiile de similitudine Criteriile si conditiile de similitudine Trebuie respectate conditiile de similitudine pentru fenomenul din natura si fenomenul de pe model Conditiile de similitudine pentru doua fenomene asemenea se exprima ca relatii intre scarile marimilor fizice omoloage Alegand un numar de scari arbitrare, se pot obtine celelalte scari ale marimilor care asigura similitudinea Numarul de scari ce pot fi alese arbitrar (grade de libertate) scari fundamentale Exista situatii in care nu se pot realiza practic scarile derivate: de exemplu, realizarea similitudinii aerodinamice complete presupune realizarea similitudinii geometrice si respectarea conditiilor de similitudine: g pN M N M N M N MSh Sh Eu Eu Fr Fr = = = = ; ; ; Re ReIn care:Re criteriul Reynolds m - modelFr criteriul Froude n naturaEu criteriul EulerSh criteriul StrouhalIncercari in tunelul de vant Aceste conditii de similitudine pot fi exprimate ca relatii intre scarile marimilor ce intervin21 1 1 1pU l U lSSS S S Au rezultatpatru relatii intre sapte scari. Dintre acestea, 3 sunt arbitrare (fundamentale) deci nr gradelor de libertate este 321; 1; 1; 1;pU l U lv g l U U tS SS SS SS= = = =(fundamentale) deci nr. gradelor de libertate este 3. Daca alegem Sl, Sgsi Sca scari fundamentale si considerand Sg= 1 (acceleratia gravit. aceeasi pentru M si N), si S=1 (acelasi fluid in M si N), numarul de grade de libertate se reduce la 1 numarulde grade de libertate se reduce la 1 Singura scara ce poate fi aleasa este scara lungimilor Sl. Acesta scara trebuie insa aleasa intre anumite limite (dimensiuni model, caracteristicile tunelului, etc.)Scarile pentru viteza, presiune, timp si vascozitate se pot exprimaSca e pe t u te a, p es u e, t p s asco tate se pot e p afunctie de scara lungimilor3/ 2S S S S S S S S3/ 2; ; ;U l p l t l v lS S S S S S S S = = = =Incercari in tunelul de vant De regula, aceste relatii intre scari nu pot fi respectate simultan in principal datorita scarii vascozitatii (vM = vN) Avem deci o incompatibilitate care a rezultat din condiia ca atat criteriul 1 1v M N lS v v S = = =adica modelul este la scara naturala!Reynolds cat si cel Froude sa fie identice la cele doua fenomene. In acest caz, trebuie renunat la unul din criterii astfel nct erorile sa fie minime minimeAnaliza in tunelul de vnt: TCI BucurestiAplicatieAnaliza in tunelul de vnt: TCI Bucuresti Structura: Tower Center International Bucuresti Sistem structural: structura duala Inaltime: 106.3 m Numr etaje: 26A li i t l l d t Analiza in tunelul de vnt: Determinarea repartiiei coeficienilor de presiune pe pereii laterali- Determinarea forelor rezultante pe pereii laterali- Determinarea coeficienilor aerodinamici1. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul cu rspuns static (rigid) Scop: p determinarea ncrcrii statice din vnt (determinarea repartiieicoeficienilor locali de presiunepe suprafaa lateral a modelului) Descrierea modelului material plastic transparentscara lungimilor100 1 S scara lungimilor Modelul a fost executat din mai multe elemente demontabile mbinate cu uruburi 100 : 1 =LS Modelul a fost prevzut cu 114 prize de presiune situate pe suprafaa lateral1. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul cu rspuns static (rigid) Realizarea profilului vertical al vitezei medii a vntului n tunelpaerodinamic distribuiei vitezei medii cu altitudinea z printr-o lege empiric numit l t ii l l i D t legea puterii sau legea lui Davenport,( )ggzUz Goo| |= |\ . este exponentul lui Davenport = 0,23 Deoarece s-a utilizat un tunel aerodinamic cu strat limit, a fost este exponentul lui Davenporteste grosimea stratului limit n zona de amplasament a cldirii studiate grosimea SLA, peste 300 m.realizat o simulare a profilului de vitez medie din SLA la scara modelului amplasat n tunel prin instalarea pe planeul zonei de lucru, pe o lungime foarte mare, o unor obstacole ale cror dimensiuni ip g , densitate au fost astfel alese nct s se obin rugozitatea dorit i respectiv profilul de vitez medie a vntului propus1.20 40.60.811.2h/hmaxExperimentalAlfa=0.23Profilul vitezei medii dinzona experimental00.20.40 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2v/vmaxp1. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul cu rspuns static (rigid)Valorile unghiului de inciden u funcie de direcia vntului Direcie vntNNEESESSVVNV Unghi inciden t d l u2300185014009505005032002750vnt-model u 1. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul cu rspuns static (rigid) RezultateipCRepartiia coeficienilor locali de presiunepe suprafaa lateral a modelului rigid BTCI 1:100, pentru direcia NE a vntului2. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul aeroelastic Scop: p determinarea rspunsului dinamic al cldirii sub aciunea vantului Descrierea modelului pentru ca modelul aeroelastic al cldirii s fie corect realizat, estenecesar ca fenomenul de pe model (M) s fie similar, pe ct esteposibil, cu fenomenul real, la scar natural (N). p , , ( ) trebuie s se determine criteriile de similitudine, condiiile desimilitudine i relaiile ntre scrile de similitudine specifice fenomenuluide ncrcare din vnt a structurilor cu rspuns dinamic de ncrcare din vnt a structurilor cu rspuns dinamic.Criteriile de similitudine pentru modelarea aeroelastic Nr. crt. Criteriile de similitudine NotaieRaportul forelor sau energiilor Fora de inerie a aerului 1.Numrul Reynolds = v = / / Res sU U Fora de vscozitate a aerului Fora de inerie a structurii/Fora de inerie a structurii2.Raportul densitilor /sFora de inerie a aerului Fora elastic a structurii 3.Criteriul elasticitii ) /(2U E Fora de inerie a aerului Energia disipat pe ciclu 4.Decrementul logaritmicsoEnergia total a oscilaiilorgEnergia total a oscilaiilorFora de inerie a aerului 5.Numrul Froude ) /(2sg U Fr =Fora de greutate a structurii 2. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul aeroelastic Descrierea modelului Relaiile ntre scri i valorile scrilor de similitudine Tipul scrilorScaraSimbolRelaia Valoarea scrii scriiScara lungimilor sS?1/100 Scara densitii aerului sS ?1 Scara modulului de elasticitate sES?1 FundamentaleScara decrementului logaritmic sSo?1 Scara vitezelor vntuluiSU 2 1sEUS S = 1 Scara frecvenelor structuriisfS1 =UsfS S S100 fsUsfScara perioadelor sTS1 =sfsTS S1/100 Scara amplitudinilor dinamice sASs sAS S=1/100 Derivate S l iil t t ii S2S S S100 Scara acceleraiilor structuriisaS2sfsAsaS S S =100 2. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul aeroelastic Descrierea modelului schema modelului aeroelastic 1:100100 / 1 =sS bar din oel cu lungimea de 106 cm, pe care sunt ataate 6 mase discrete. il l t d l l l ti l ldi ii f t t t l li it ncercrile la vnt pe modelul aeroelastic al cldirii se efectueaz n stratul limitatmosferic simulat n vena experimental, att ca profil de vitez medie, ct i castructur turbulent.ncercrile n tunel aerodinamic privind rspunsul dinamic al structurii studiate ncercrile n tunel aerodinamic privind rspunsul dinamic al structurii studiatepresupun asigurarea unei structuri turbulente n curentul de aer din vena tuneluluiaerodinamic corespunztoare tipului de ncercri pe modele aeroelastice.Pentru creterea nivelului de turbulen din stratul limit atmosferic s-a prevazut un pgenerator de vrtejuri alctuit dintr-un numr de cinci elemente de form tetraedriccu vrfuri ascuite2. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul aeroelastic Descrierea modeluluiGeneratoarele de vrtejuri i rugozitatea plcii sol pentru dezvoltarea stratului limit i pentru ridicarea nivelului de turbulen. p 10001200400600800Cota [mm]Profilul intensitii adimensionale a turbulenei IT n vena tunelului aerodinamic02000 0.1 0.2 0.3IT [-}2. ncercri n tunel aerodinamic pe modelul aeroelastic RezultateCaracteristicile rspunsului dinamic la vnt al cldirii BTCI,la scar ntreag (prototip) la nlimea de 100 m la scar ntreag (prototip), la nlimea de 100 m Numr Reynolds [-] Unghi de inciden u [0] Direcie Acceleraie as [m/s2] Amplitudine dinamic As[mm]Frecven fs [Hz] PerioadTs [s] s[ ]N 2300 x y 0,22 0,22 95 105 0,241 0,245 4,1 4,1 NE 1850 x y 0,20 0,23 160 173 0,184 0,184 5,4 5,4 E1400 xy 0,200,21 150160 0,1840,183 5,45,4 SE 950 x y 0,21 0,25 220 260 0,161 0,159 6,2 6,2 Sx0 21 90 0 250 4 0Re~ 7,8107S500 xy 0,210,21 9086 0,2500,249 4,04,0 SV 50 x y 0,22 0,25 80 87 0,269 0,271 3,7 3,7 Vx0,20 70 0,275 3,6 V3200 xy 0,200,25 7088 0,2750,271 3,63,7 NV 2750 x y 0,23 0,23 145 135 0,201 0,205 4,9 4,9 Aciunea zapezii Aciunea zapeziiDate generaleUna din cauzele principale ale avariilor suferite de acoperisurile cladirilor Una din cauzele principale ale avariilor suferite de acoperisurile cladirilor greutatea excesiva a zapezii Determinarea incarcarii din zapada in conformitate cu normele de calcul - in l i lt it tii t it cele mai multe situatii este acoperitoare Pot sa apara insa probleme deosebite daca: Incarcareanu este evaluata corect: aglomerarea zapezii datorita viscolului Zapada neuniforma (aglomerata) Greutatea zapezii pe acoperis depaseste valorile considerate inp p p pstandarde: caderi de zapada urmate de ploaie caderi de zapada insotite de temperaturi scazute caderi de zapada insotite de temperaturi scazute caderi succesive de zapada a.i. se produce acumularea zapeziiIncarcarea echivalenta din zapada50 333917 1000Kg/mcGosime echivalenta (cm)KN/mp49 7 3 3( )0.398 15 5 5147 22 8 7195 29 11 100.50.71.0244 37 13 121.2 Incarcarea din zapada este un factor important la proiectarea cladirilor: Incarcarea din zapada este un factor important la proiectarea cladirilor: deschideri mari forme deosebite ale acoperisului cladiri invecinate de inaltimi mai reduse fata de cladirea analizata cladiri invecinate de inaltimi mai reduse fata de cladirea analizataIn acest caz, trebuie analizat impactul cladirii noi asupra celei vechi. In multeIn acest caz, trebuie analizat impactul cladirii noi asupra celei vechi. In multe siutuatii, cladirea existenta necesita lucrari de consolidare siutuatii, cladirea existenta necesita lucrari de consolidare siutuatii, cladirea existenta necesita lucrari de consolidaresiutuatii, cladirea existenta necesita lucrari de consolidare Incarcarea exceptionala din zapada Exista mai multe cauze care pot sa stea la baza producerii situatiilorexceptionale: Dimensionarea incorecta a structurii incarcare din zapada mai redusa (inlt it tii t d i ii di d b i t i multe situatii, se accepta reducerea incarcarii din zapada pe baza ipotezei cavantul spulbera o parte din zapada) Realizarea defectuoasa a prinderilor intre elemente in noduriProbleme legate de evacuarea apei sau de scurgere a zapezii Probleme legate de evacuarea apei sau de scurgere a zapezii Cresterea incarcarii permanente sau tehnologice pe parcursul utilizariiconstructieiDispunerea neechilibrata a zapezii pe acoperisul structurii Dispunerea neechilibrata a zapezii pe acoperisul structuriiIncarcarea exceptionala din zapada In multe situatii, structurile prezinta semne vizibile ca stabilitatea sicapacitatea portanta sunt epuizate: Deformatii vizibile la nivelul acoperisului (grinzi transversale, pane dei t bl t t t ) acoperis, tabla cutata, etc) Crapaturi sau desprinderi la elemente din lemn Usi care nu se mai pot inchide / deschide Conducte deformate Crapaturi in pereti, fisuri in elemente zgomote produse de deformarea, fisurarea elementelorIncarcarea exceptionala din zapada Atunci cand exista riscul producerii unei situatiiexceptionale, se impune indepartarea zapezii de peacoperis Indepartarea zapezii trebuie sa urmeze o ordine bine Indepartarea zapezii trebuie sa urmeze o ordine bine-stabilita In situatia in care operatiunea se desfasoara incorect,exista riscul agravarii starii de solicitare (incarcari g (nesimetrice, etc) Zapada este indepartata incepand cu mijlocul traveiimedianeZ d i d t i lt d b l l Zapada se indeparteaza simultan de pe ambele ape aleacoperisului Este interzisa aruncarea zapezii de pe acoperisul maiinalt pe cel mai jos Indepartarea zapezii trebuie facuta cu grija, a.i. sa nu sedistruga hidroizolatiaPrevederi din normele de calculf Incarcarea din zapada pe acoperis ia in considerare depunerea de zapada in functie de forma acoperisului si de redistributia zapezii cauzata de vant si de topirea zapezii. Valoarea caracteristica a incarcarii din zapada pe acoperis, skse determina astfel:ieste coeficientul de forma pentru incarcarea din zapada pe acoperis;s0,k- valoarea caracteristica a incarcarii din zapada pe sol [kN/m2], in amplasament;Ce - coeficientul de expunere al amplasamentului constructiei;Ct - coeficientul termic.Coeficienti de forma pentru incarcarea din zapada pe acoperisAcoperisuri cu o singura pantaAcoperisuri cu doua panteAcoperisuri cu mai multe deschideriAcoperisuri cilindriceAcoperisuri cu denivelari brusteCoeficienti de forma in cazul unor efecte locale Aglomerarea de zapada la acoperisuri cu obstacole Aglomerarea de zapada la acoperisuri cu obstacole Aglomerarea de zapada la marginea unui acoperis Incarcarea din zapada pe panouri de protectie si alte obstacole de pe acoperisuri Probleme deosebite apar in cazul in care acoperisul:Coeficienti de forma in cazul unor efecte locale Probleme deosebite apar in cazul in care acoperisul: Prezinta denivelari Are suprafata mare in plan p p Forma deosebita in plan In acest caz, valoarea incarcarii din zapada trebuie determinata prin alte t d metode Incercari in camera rece (Cold Room Testing) Testul cu curenti de apa (Water Flume Testing) Testul cu curenti de apa (Water Flume Testing) Studiu in tunelul de vant (Wind Tunnel Testing / Modeling) Metoda elementelor finite (Finite Area Element Snow Loading( gSimulation) Simularea viscolelor (VirtualDrift: Particle Drift Simulator) Studiul amanuntit al inzapezirii (Enhanced Snow Drifting Review) Studiul inzapezirii (Snow Drifting Study) Computational Fluid Dynamics (CFD) (Dinamica fluidelor modelata pe calculator )Testul in camera rece Testul incamera receCold Room Testing Se pot efectua teste pe machete de marimi reale, pentru a identifica detaliile critice privind acumularea zapezii pe acoperisuri. Are doua avantaje Conditiile meteo pot fi controlatep(temperatura, etc) Evaluarea rezultatelor pe modele cu marimi reduseTestul cu curenti de apa Testul cu curenti de apaWater Flume Testing Testul cu jet de apa ofera o vizualizare a aglomerarii zapezii si modul in care se depune zapada pe cladirile din jur Animatia permite vizualizarea fenomenului prin modificarea directiei vantului Testul in tunelul de vant Testul in tunelul de vantWind Tunnel Testing / Modeling Tunelul de vant se foloseste pentru modelarea sau testarea cladirilor si structurilor de constructii Testul in tunelul de vant cu strat de separatie ajuta la simularea rezistentei naturale a aerului pe suprafata pamantului. Pentru exactitate este important ca in tunel sa se simuleze viteza medie a important ca in tunel sa se simuleze viteza medie a vantului si efectele turbulentei Cele mai multe coduri si standarde contin prevederi referitoare la testul in tunelul de vantMetoda ariilor finiteFinite Area Element Snow Loading Simulation Metoda combina analiza pe modele la scara cu simularea numerica Ex: in cazul acoperisurilor cu suprafata mare in plan sau cu diferenteFinite Area Element Snow Loading SimulationEx: in cazul acoperisurilor cu suprafata mare in plan sau cu diferente de nivel: Se aplica un factor de reducere asupra incarcarii din zapada, avand in vedere posibilitatea ca zapada de pe acoperis sa fie avand in vedere posibilitatea ca zapada de pe acoperis sa fie supulberata de vant adevarat pentru acoperisurile de dimensiuni reduse Valorile din norme suntgeneral determinate pe aceste tipuri de acoperisuri La acoperisurile de mari deschideri pot sa apara probleme de La acoperisurile de mari deschideri, pot sa apara probleme de aceea un factor de reducere subunitar poate fi neconservativSpeak incarcarea totala maxima din zapada pe acoperisul inferior Speak incarcarea totala maxima din zapada pe acoperisul inferiorSs - incarcarea din zapada pentru zona geografica considerataSr incarcarea din ploaia cazuta peste zapada densitatea zapezii - densitatea zapezii hp inaltimea parapetului zonei mai inalte a acoperisuluil* = 2w w2- lungimea caracteristica a acoperisului mai inalt de pe care poate sa alunece zapada pe acoperisul mai W dimensiunea minima in plan a acoperisuluiL - dimensiunea maxima in plan a acoperisuluiSimularea viscolelor Simularea viscolelorVirtualDrift: Particle Drift Simulator Folosind tehnicile de ultima generatie de evaluare a comportarii fluidelor in regim evaluare a comportarii fluidelor in regimdinamic (CFD- computational fluid dynamics) se poate realiza o schema a zonelor de pe macheta unde se produc zonelor de pe macheta unde se produc acumulari de zapada Similar cu testul curentilor de apa, acesta ajuta la identificarea zonelor critice cu incarcari excesive din zapada si zonele in care aceste incarcari pot afecta comportarea normala a structuriiStudiul inzapezirii Studiul inzapeziriiSnow Drifting Study Se realizeaza modele 3D ale cladirilor si ale imprejurimii acestora la o anumita scara care se introduc intr-un bazin special cu curenti de apa Se analizeaza efectele curentilor de apa din toate directiile in functie de datele meteorologiceStudiul detaliat al inzapeziriiE h d S D ifti R i Enhanced Snow Drifting Review Se realizeaza un model 3D pe Se realizeaza un model 3D pe computer (inclusiv mediul inconjurator Se realizeaza o simulare numerica Se realizeaza o simulare numerica aplicand incarcarea din vant pe mai multe Pe baza rezultatelor se poate evalua efectul potential al viscolului asupra efectul potential al viscolului asupra cladirilor sau grupurilor de cladiri Modelarea pe calculator permite alternarea usoara a incarcarilor alternarea usoara a incarcarilor recomandat pentru studii parametriceStudiu de caz: Prabusirea acoperiului Pavilionului Expoziiei Economiei Naionale din Bucureti, ianuarie 1963Istoria recenta conine numeroase cazuri de accidente soldate cu prabusirea pariala sau totala a unor cldiri de mare importanta. p p pElucidarea cauzelor producerii acestor prabusiri au permis dezvoltarea normelor de calcul si a tehnicilor de construcie.Unul din aceste cazuri il reprezint prabusirea cupolei Pavilionului Unul din aceste cazuri il reprezint prabusirea cupolei Pavilionului Expoziiei Economiei Naionale din Bucureti, in ianuarie 1963In anul 1961 a fost construit in Bucureti un pavilion dedicatexpoziiilor, trgurilor si altor manifestri. Cldirea, de formacirculara, era realizata in doua elemente principale:-inelul marginal realizat din beton armat -inelul marginal, realizat din beton armat-domul central, realizat dintr-o structura metalica reticulata,acoperita cu tabla de aluminiu.Pentru realizarea domului central s-a utilizat proiectul lui Lederer,proiect care a stat la baza realizrii unui dom similar la Brno, inCehoslovacia Proiectul iniial a fost verificat si adaptat la condiiile Cehoslovacia. Proiectul iniial a fost verificat si adaptat la condiiileclimatice si de incarcari din Bucureti.P ili l E ii i E i i N i l di B ti Pavilionul Expoziiei Economiei Naionale din Bucureti Elementele erau realizate din evi rotunde cu dimensiuni de la 38mm la 102mm. Sistemul structural era alctuit din 3 straturi suprapuse, prinse in noduri prin legaturi elastice. La proiectarea structurii au fost luate in considerare urmtoarele ipotezede ncrcare:- greutatea proprie a elementelor, nvelitorii si izolaiei (55 daN/m2)- greutatea proprie a unor elemente suspendate de luminator (10tf)- zpada uniform distribuita (100daN/m2) p ( )- zpada aglomerata- ncrcarea din vnt( )cos 2 1 cossp p' = | + u- ncrcarea seismica, sub forma unei incarcari statice echivalente egala cu 1/20din greutatea permanenta:sin cos p p'= | | sin coswp p | |Cauzele cedrii acoperiului reticulat- In seara zilei de 30ianuarie 1963, la 17 luni dup finalizarea structurii,domul a cedat datorita acumulrilor masive de zpada si vnt puternic, incondiiile unor temperaturi exterioare foarte sczute. p- Conform nregistrrilor meteo, temperatura exterioara era de -13C iarviteza vntului de 16m/sec.- Dup colaps acoperiul avea aspectul unui dom ntors - Dup colaps, acoperiul avea aspectul unui dom ntors.Cauzele cedrii acoperiului reticulatCauzele cedrii acoperiului reticulat Conform msurtorilor efectuate, masa totala a zpezii care a cauzat prabusirea acoperiului a fost de circa 200 de tone actionand pe o suprafaa de circa 1000m2cu o tone, actionand pe o suprafaa de circa 1000m2, cu o acumulare pronunata in zona luminatorului central si la baza domuluiVedere exterioara a domului dup cedareZonele in care s-au nregistrat deplasri ale nodurilor si deformri ale barelorP i l l d t t l ii d d f tCauzele cedrii acoperiului reticulatPresiunea locala datorata aglomerrii de zpada a fostaproximata la circa 350daN/m2. Dei cele 200 de tone dezpada reprezentau doar 30% din ncrcarea totala din zpada reprezentau doar 30% din ncrcarea totala dinzpada uniforma luata in calcul la dimensionare, aceastaacionat pe suprafee restrnse, provocnd concentrri maride eforturi, peste cele care au fost luate in considerare ladimensionare.In urma studiilor efectuate, s-a stabilit ca prabusireaacoperiului reticulat s-a produs sub aciunea cumulata a treifactori: factori:factorii climaticigradul de fixare in mbinri gradul de fixare in mbinrievaluarea realista a incarcarii criticeConcluzii cedarea s-a produs pierderea stabilitatii elastice datorita acumulrilor mari de zpada flambajul s-a propagat rapid in toata structura acoperiului datorita prinderilor flexibile din noduri propagarea succesiva a permis formarea a 5 unde de flambaj, permitand trecerea domului din poziia normala in cea iinversa inelul marginal a rmas in poziia iniiala datorita gabaritului mare al elementelor din beton armat mare al elementelor din beton armatCombinarea efectelor vantului si zapeziiCombinarea efectelor vantului si zapeziiAglomerarea zapezii Aglomerarea zapeziiin fata unei cladiri cu rampa laintrare (de ex. un garaj)in fata unei cladiri cu soclu in fata unei cladiri cu socluCombinarea efectelor vantului si zapeziiAglomerarea zapezii Aglomerarea zapezii Aglomerarea zapezii Aglomerarea zapeziiIn cazul cladirilor construite pe piloni, zapada spulberata de peacoperis nu se aglomereaza direct langa fatada. (vantul bate predominant din dreapta) (vantul bate predominant din dreapta) Combinarea efectelor vantului si zapeziiOrientarea cladirilorV t l l li i l di il Vant paralel cu linia cladirilorVant perpendicular pe linia cladirilorCombinarea efectelor vantului si zapeziiP i d Panouri parazapadaCombinarea efectelor vantului si zapeziiDeflector de vant Combinarea efectelor vantului si zapezii Ecuatia de miscare pe verticala a unei particule presupusa cvasisferica, de diametru D, masa m, greutate mg, avand la timpul t viteza v este: timpul t viteza v este:Unde:Farh- forta de portanta (conf legii lui Arhimede) Fa- forta rezistenta aerodinamica, se poate exprima cu relatia:In care:- densitatea aerului - A aria sectiunii corpului intr-un plan normal pe directia lui V (A =tD2/4)- cacoef. aerodinamic de antrenare, depinde de forma si numar Re (Re = V D/v) Dupa un anumit drum parcurs prin aer, particulele de zapada ajung la o viteza egala cu cea finala de sedimentare. Aceasta viteza caracterizeaza miscarea uniforma (mdV/dt=0) viteza caracterizeaza miscarea uniforma (mdV/dt 0)Combinarea efectelor vantului si zapeziiPunand conditia:Se obtine expresia vitezei de sedimentare: Se obtine expresia vitezei de sedimentare:- In regim laminar(1)- In regim turbulent(2)In care:Zdensitatea zapezii Prima relatie (1) se mai numeste si formula lui Stokes. Aceasta prezinta interes in cazul formarii straturilor uniforme de zapada Pentru aglomerari de zapada (in regim turbulent), se foloseste ecuatia (2) Pentru a se evidentia posibilitatea antrenarii de catre vant a zapezii depuse, este necesar sa se determine viteza critica de antrenare Vantr. Pentru aceasta, se egaleaza forta aerodinamica de antrenare Facu forta rezistenta datorata frecarii:Combinarea efectelor vantului si zapeziiIn care:f coeficient de frecare(1)f coeficient de frecare Fa forta aerodinamica de antrenare Fp forta aerodinamica de portanta Din ecuatia (1) se obtine:Presupunand particula de forma sferica de diametru D, atunci (2)Relatia (2) devine:Combinarea efectelor vantului si zapeziiDaca notam:Vantr ~ 4m/s zap. proaspata Fulgii de zapada cad vertical daca aerul este nemiscat. Daca vantul are viteza mai mica decat cea de sedimentare Vsedcare la randul ei este mai mica decat cea de antrenare Vantr, atunci zapada se depune si formeaza un strat paralel cu forma terenului cu grosime aproape constanta formeaza un strat paralel cu forma terenului cu grosime aproape constanta Particulele de zapada desprinse din strat sub efectul unei rafale revin la teren daca viteza rafalelor scade sub Vsed. Daca insa in calea vantului se afla un obstacol (cladire), viteza sufera modificari importante in zona obstacolului, vitezele tangente la suprafata obstacolului fiind mult mai mari decat vitezele din campulexterior. Are astfel loc o eroziune a zapezii depuse pe obstacol (chiar daca vitezele in campul uniform sunt mai mici decat Vantr). Particulele desprinse din zapada depusa sunt antrenate de vant insa Particulele desprinse din zapada depusa sunt antrenate de vant insa deoarece au greutati specifice mai mari ele nu urmeaza traiectoria vantului ci cad in zonele mai calme.Combinarea efectelor vantului si zapezii Se poate deci observa ca vantul are o importanta deosebita asupra marimii si Se poate deci observa ca vantul are o importanta deosebita asupra marimii si distributiei incarcarii din zapada In zonele in care curgerea este laminara si regulata, vantul spulbera zapada In zonele unde curgerea este turbulenta, pot aparea depozite de zapada. Aceasta aglomerare depinde de forma cladirii, a acoperisului, viteza vantului si unghiul de atac fata de cladire amplasament pozitia cladirilor invecinate etc atac fata de cladire, amplasament, pozitia cladirilor invecinate, etc.Universitatea Politehnica TimioaraSiguranta structurilor la actiuni speciale Siguranta structurilor la actiuni specialeCur sCur s 88 -- 99Siguranta structurilor la actiuni speciale Siguranta structurilor la actiuni specialeActiuni speciale asupra constructiilor Cur sCur s 8899Actiuni speciale asupra constructiilor datorate impactului si exploziilorMaster, an IIntroducere Aciunile accidentale pot sa conduc la colapsul t t ilS ti i dti istructurilor. Se pot enumera aici doua tipuri principale de aciuni: Naturale: Naturale: avalane erupii vulcanice erupii vulcanice alunecri vnturi puternice tsunami Artificiale: foc explozii impact impactIntroducereAc t i unispec i al e Ac t i unispec i al e Ac t i unispec i al e Ac t i unispec i al eEx pl ozi i Ex pl ozi iAccidentale AccidentaleI mpac t I mpac tAccidental AccidentalAccidentale Accidentale-- Gaz Gaz-- Substante chimice, etc. Substante chimice, etc.Terorism Terorism--Avioane Avioane--Camioane CamioaneTerorism TerorismTerorism Terorism-- Explozii cu masini,Explozii cu masini, camioane, etc. camioane, etc.-- Rachete, avioane, etc Rachete, avioane, etc Foc Foc Foc FocAsociat cu exploziiAsociat cu explozii -- Foc produs de acumulari de gaz Foc produs de acumulari de gazFoc produs de substante chimice Foc produs de substante chimice -- Foc produs de substante chimice Foc produs de substante chimiceIntroducere Clasificarea aciunilor (EN 1990) Actiuni permanente, e.g. greutatea proprie a structurii de rezistenta, a echipamentelor fixe, etc Actiuni variabile, e.g. incarcari utile pe planee,, g p p ,incarcarea din vant, incarcarea din zapada, etc. Aciuni accidentale, e.g. explozii, impact, etc NOTA 1: O actiune accidentala poate sa aiba consecinte dezastruoase asupra sigurantei constructiei NOTE 2: Actiunea zapezii, a vantului sau actiunea seismica pot fi id t ti iid t lif tidi f tiildi ibil considerate actiuni accidentale, in functie de informatiile disponibile Definirea aciunilor accidentale (conf. EN 1990):o aciune de regula de scurta durata dar de o aciune, de regula de scurta durata dar demare intensitate, care este puin probabil saapar pe parcursul vieii construciei p p p Introducere Documente referitoare la actiuni accidentale EN 1991-1-7d ( ) Approved Document A (UK) Guidance on Robustness and Provision against Accidental Actions (UK) Accidental Actions (UK) FEMA Documents (USA): FEMA 426 FEMA 426 FEMA 427 NIST NCSTAR (USA) ( )EN 1991-1-7 Contine prevederi specifice pentru actiuni id t l tdi t il ii i t accidentale cauzate de impact si explozii interne Nu contine prevederi referitoare la actiuni accidentale cauzate de explozii externeatacuriaccidentale cauzate de explozii externe, atacuri teroriste, etc. In cazul cladirilorprevederile sunt menite sa In cazul cladirilor, prevederile sunt menite sa asigure evitarea colapsului progresiv, adic limitarea pagubelor si evitarea colapsului inp g pcazul producerii unor actiuni accidentaleEN 1991-1-7 Actiuni datorate impactului (ciocniri) Domeniu de aplicare: Coliziuni cu vehicule Coliziuni cu vehicule Coliziuni cu masini de ridicat Coliziunicu trenuri coliziuni cu vapoare Aterizari ale avioanelor si elicopterelor, etc Dinamica impactului Dinamica impactului In conformitate cu acest cod, impactul poate fi caracterizat in doua feluri: impact rigid, atunci cand energia este disipata in principal de catre corpul de impact impact plastic, atunci cand structura este i b b i dli proiectata sa absoarba energia produsa la impactImpactul rigid Forta maxima rezultata din interactiunea dintre corpurile care se ciocnesc si durata impactului corpurile care se ciocnesc si durata impactuluisunt date de:rF v km vrviteza obiectului la impactK rigiditatea elastica echivalenta a obiectuluit mk K rigiditatea elastica echivalenta a obiectuluiM masa obiectului in miscare Daca masa obiectului in miscare este podelata ca o bara de sectiune uniforma, atunci:k EALFk EAL m AL L l ngime ba arv kmrod: , A, E, L L lungime baraA aria sectiunii transversaleE modul de elasticitate densitatea materialuluivr rise time mktModel impactImpactul plastic p p Daca structura are o comportare elastica iar obiectul in miscare este rigid, atunci se pot folosiobiectul in miscare este rigid, atunci se pot folosi relatiile anterioare (k rigiditatea structurii) Daca structura este proiectata sa absoarba energia de impact prin deformatii plastice, atunci ductilitatea ei trebuie sa fie suficienta pentru a absorbi energia cinetica a obiectului in 21 2absorbi energia cinetica a obiectului in miscare Cerinta anterioara este satisfacuta daca:21 2rmv Cerinta anterioara este satisfacuta daca:20 01 2rmv F y - Forezistenta plastica a structurii- yocapacitatea de deformare a structurii Load-time history700Load-time history700400500600P (MN)Concorde400500600P (MN)Concorde200300400Impact load,PBoeing 767F4200300400Impact load,PBoeing 767F401000 50 100 150 200 250F4B707Helicopter Light aircraf t01000 50 100 150 200 250F4B707Helicopter Light aircraf t0 50 100 150 200 250time (msec)0 50 100 150 200 250time (msec)Aircraft M (tonne)L (m) Vo (m/s) Peak Load (MN) Duration (ms) Aust. SUPAPUP Light Aircraft0.345.751.34.6111 Westland Sea King Helicopter9.51763.919.6 266 Boeing 707-3209140103.692386 Phantom F4 aircraft2219.221014591 Boeing 767-300 ER18754.9140320362 Supersonic Concorde13862.2344568181 EN 1991-1-7 Explozii interne Domeniu de aplicare: Explozii de gaz in camere si silozuri Explozii de gaz in camere si silozuri Explozii de gaze si vapori in camere si bazine de colectare inchise Explozii de gaz in conducte Explozii de gaze si vapori in tuneluri E l iil td l i it Exploziile cauzate de explozivi nu sunt acoperite de acest cod Actiunea exploziilor trebuie sa fie considerata Actiunea exploziilor trebuie sa fie considerata in proiectare daca probabilitatea de producere nu este foarte redusa Exploziile cauzate de gazele naturale au o probabilitate de producere mareExplozii produse de gazele naturale Structurile sunt proiectate sa reziste o presiune t ti hi l td td l ti statica echivalenta data de relatia:1.5d vp p sau 2d tot vp Cm A A pvpresiunea statica uniform distribuita la care panourile de ventilare cedeaza, in kN/m;d v Avaria golurilor de ventilare, in m2;Atotaria totala (pereti, tavane, pardoseli), inclusiv aria suprafetelor de ventilare, in m2m masa panourilor de ventilare, in kg/m3C = 0.006 este o constanta Valoarea maxima a presiunii luatye in calcul se poate limita la pd= 50 kN/m2poate limita la pd50 kN/mDocumentele FEMA Documentul FEMA 426 Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacksto Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings Documentul FEMA 427 Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigateof Commercial Buildings to Mitigate Terrorist AttacksDocumentul FEMA 426 Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings Potential Terrorist Attacks Against Buildings In ultimii ani a crescut riscul producerii unor atacuri teroriste asupra cldirilor civile unor atacuri teroriste asupra cldirilor civile Reducerea riscurilor legate de producerea atacurilor asupra cldirilor este o sarcinaatacurilor asupra cldirilor este o sarcina dificila Este dificil de prevzut cum, de ce si cnd Este dificil de prevzut cum, de ce si cnd se poate produce un atac terorist Metodologia prezentata in FEMA426 poate fig p pfolosita att pentru cldirile noi cat si pentru evaluarea sau reabilitarea celor i t t existenteDocumentul FEMA 427 Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks Buildings to Mitigate Terrorist Attacks Scopul acestui ghid il constituie introducerea conceptelor care pot sa ajute proprietarii de cldiri, proiectanii, t it tili d i l ilt t i autoritatile in reducerea riscului rezultat in urma atacurilor teroriste Ghid lt l iil Ghidul se concentreaz asupra exploziilor provocate de: A to ehic le inca cate ce plo i i Autovehicule incarcate cu explozivi Incarcaturi explozive transportate manualActe recente de terorism Cauze: impact, explozie + incendiuImminent impact of United Airlines Flight 175 with WTC 2Aircraft entry hole on the north side of WTC 1Impact and explosionActe recente de terorism Cauze: impact, explozie + incendiuPlane crash on Pirelli Building in MilanA il 182002U.S. Pentagon, Arlington, VAApril 18, 2002Acte recente de terorism Cauze: exploziiMurrah Federal Building, Oklahoma City, Prior to BlastDamage to North and East Sides of Murrah Building, April 19, 1995 City, Prior to BlastActe recente de terorism Cauze: exploziiAerial view - Khobar Towers bombingJune 25, 1996 ,Building 131 after the explosionThe crater remaining after the truck bomb explosionBuilding 131 after the explosionbomb explosionActe recente de terorismAn aerial view of the US Embassy in NairobiAn aerial view of the bomb blast areaU. S Embassy in Nairobi, Kenya, August 7, 1998Bali bombing, October 12, 2002Atacuri teroriste [1997-2002] [ ]Total facilities struck byTotal facilities struck by international terrorist attacks in 1997-2002 and total facilitiesand total facilities attacked in 2002Explozii Exploziile metodele preferate in atacurile t i t teroriste Numerosi arhitecti si proiectanti nu au experienta in realizarea masurilor de reducere a efectelorin realizarea masurilor de reducere a efectelor atacurilor teroriste Tipuri de explozii pu de e p o Explozii in spatii deschise Explozii in spatii inchise Explozivi atasati structurilorExploziiExplozii in spatii deschiseE l iii Explozii aeriene Explozii la mica inaltime Explozii la suprafata Explozii la suprafata ExploziiExplozii in spatii inchiseE l ii i tii i hi l t Explozii in spatii inchise complet Explozii in spatii inchise partial Explozii in spatii complet deschise Explozii in spatii complet deschiseExplozii Efectele exploziilor Atunci cand este initiata o explozie, se produce o reactie chimica exoterma foarte rapida Pe masura ce reactia avanseazaexplozibilul solid Pe masura ce reactia avanseaza, explozibilul solid sau lichid este transformat intr-un gaz foarte fierbinte, dens si de inalta presiune Explozia initiala se propaga cu viteze foarte mari, producandu-se astfel o unda de socEfectele exploziilor pUnda de soc = aer la presiuni ridicate, deplasndu-se rapid dinspre sursa cu vitezesupersonice Pe masura ce unda de soc avanseaza, presiunea scade rapid (datorita disiparii energiei prin nclzirea aerului exterior) Presiunea scade foarte repede in timp avand o durata de viata foarte redusa (de ordinul ii il d d ) miimilor de secunda)Efectele exploziilor p Pe msura ce frontul de unda avanseaz, presiunea scade ajungnd la presiunea normala presiunea scade ajungnd la presiunea normalaTypical pressure-time historyEfectele exploziilor p Atunci cand presiunea incidenta actioneaza it t it l l asupra unei structuri care nu este paralela cu directia de propagare a undei, aceasta este reflectata si amplificatadand nastere la asa- reflectata si amplificata, dand nastere la asanumita presiune reflectata. Presiunea reflectata: Presiunea reflectata: Intotdeauna mai mare decat presiunea incidenta Undele acustice amplificate cu un factor egalp gcu 2 Undele de soc amplificate cu un factor de pana la 13 pana la 13 Variaza cu unghiul facut de presiunea incidentaEfectele exploziilor pCr= reflected pressure coefficientPr= peak reflected pressurePi= peak incident pressureR fl t dffi i tl f i id Reflected pressure coefficient vs. angle of incidence Modelarea propagariiModelarea propagarii exploziei cu ajutorul programuluiAir3dEfectele exploziilor pEEquivalent TNT weight quivalent TNT weightss EEquivalent TNT weight quivalent TNT weightssOklahoma: 1814 kg Oklahoma: 1814 kgWTC (1993): 816.5 kg WTC (1993): 816.5 kg WTC (1993): 816.5 kg WTC (1993): 816.5 kgStand Stand- -off distance off distanceOklahoma: 1.5mOklahoma: 1.5m Schematizarea parametrilor care apar in cazul unei explozii Schematizarea parametrilor care apar in cazul unei exploziiEfectele exploziilor Impulsul este o masura a energiei care actioneaza asupra unei cldiri la producerea pactioneaza asupra unei cldiri la producerea unei explozii Impulsul se obine prin integrarea arieipu su se ob e p teg a ea a edescrise de curba de presiune in funcie de timp: I Pt dt I = impuls (Mpa-ms) I Pt dt p ( p )P = Presiune (MPa) T = timp (ms) Atat faza pozitiva cat si cea negativa contribuie la marimea impulsului pEfectele exploziilor pTypical impulse waveformEfectele exploziilor In comparatie cu alte riscuri (e.g., pcutremure, vnturi puternice, inundaii) atacurile cu explozibili au urmtoarele t t i di ti ti trasaturi distinctive: Intensitatea presiunii care actioneaza asupra cldirii poate sa fie de cteva ordine de mrimecldirii poate sa fie de cteva ordine de mrime mai mare dect in cazul celorlalte aciuni accidentale (presiunea incidenta maxima de ordinul a 700 kPa) Presiunea generata de explozii scade rapid cu distanta fata de sursa distanta fata de sursa Durata evenimentului este foarte mica (de ordinul milisecundelor))Avariile provocate cladirilorA.1 Avariile cldirilor Extinderea si gravitatea avariilor si a victimelor in cazul producerii unei explozii nu poate fi prezisa cu certitudinecu certitudine In ciuda gradului mare de incertitudine, este posibil sa se desprinda cteva indicaii cu privireposibil sa se desprinda cteva indicaii cu privire la nivelul global al avariilor si al victimelor, pe baza urmtorilor factori: Marimea exploziei Distanta fata de sursa Conformarea cldiriiAvariile cladirilor Distrugerile provocate de unda de soc pot fi impartite in: impartite in: Efecte directe ale undei de soc Unda de soc este mecanismul principal care conduce la producerea de avariiproducerea de avarii Unda de soc actioneaza de asemenea pe directii pentru care elementele structurii nu ofera o rezistenta corespunzatoare (ex. forte ascendente pentru acoperisuri si l ) plansee) colapsul progresiv In ceea ce priveste evolutia in timp, structura tl itd ddidi t il este lovita de unda de soc iar distrugerile rezultate se produc apar in fraciunea de timp imediat urmtoare (sutimi de milisecunda) imediat urmtoare (sutimi de milisecunda) Daca colapsul progresiv este initiat, acesta se produce de regula in urmatoarele cateva secunde secundeAvariile cladirilorEfectele directe ale undei de socBlast pressure effects on a structureAvariile cldirilor C l li dl l i Colapsul progresiv Colapsul progresiv cedarea locala a unui element structural conduce la colapsul elementelor adiacente si in final la colapsulelementelor adiacente si in final la colapsul structurii distrugerile finale sunt disproportionate fata de cauza initiala p p Cladirile trebuie sa fie proiectate astfel incat sa fie evitata producerea colapsului progresiv, indiferent de nivelul de proiectieAvariile cladirilor Proiectantii trebuie sa aiba in vedere urmatoarele aspecte: Asigurarea redundantei l l l Folosirea unor elemente structurale si a unor imbinari ductile Capacitate de a rezista la actiuni reversibile Capacitate de a rezista la actiuni reversibile Evitarea cedarii din forta taietoare pentru mai multe informatii: Approved Document A (UK) si Guidance on Robustness and Provision against Accidental Actions (UK)Nivele de protectie pA.2 Nivele de protectie Cantitatea de explozibil + explozia rezultata dicteaza nivelul de protectie Nivelul de protectie poate fi corelat cu presiunea incidentaCorrelation of level of protection to incident pressure (DoD)Nivele de protectie pLevels of protection for buildings (DoD)Distanta de siguranta gB. Distanta de siguranta, efectele exploziei Energia degajata de o explozie scade rapid cu distanta Costul protectiei cladirii scade pe masura ce distanta de protectie fata de sursa potentiala creste (vezi figura) creste (vezi figura) Cresterea distantei de siguranta necesita spatii suplimentare ceea ce in final conducespatii suplimentare ceea ce in final conduce la un cost mai ridicat al terenuluiDistanta de siguranta gRelationship of cost to stand-off distance Distanta de siguranta gStand-off distance and its relationship to blast impact as modeled on the Khobar Towers site Distanta de siguranta g Alegerea unei diatante de siguranta care sa dl it i iit t iiconduca la evitarea avarierii grave a structurii este destul de dificila DoD (Departamentul Apararii al USA) prescrie DoD (Departamentul Apararii al USA) prescrie distante minime de siguranta in functie de nivelul de protectie cerut: nivelul de protectie cerut: Atunci cand aceste distante sunt asigurate, constructiile se calculeaza si se executa in conditii normale Atunci cand aceste distante nu sunt asigurate, structura trebuie intarita pentru a putea asigurastructura trebuie intarita pentru a putea asigura gradul de protectie cerutEvaluarea efectelor exploziei pC. Evaluarea efectelor explozieiC.1 Evaluarea incarcaturii explozive Deoarece unda de soc se propaga in mediul inconjurator, evaluarea incarcarii date de explozie trebuie facuta in mai multe puncte Pentru structurile complexese pot utiliza Pentru structurile complexe, se pot utiliza metode avansate de calcul (Computational Fluid Dynamics CFD) y ) In majoritatea cazurilor, se utilizeaza insa metode mai simple pentru evaluarea incarcaturii exploziveEvaluarea efectelor exploziei pIncident overpressure, as a function of stand-off distance and net explosive weightEvaluarea efectelor exploziei pC.2 Evaluarea efectelor exploziei Dupa evaluarea incarcaturii explozive, nivelele de distrugere pot fi evaluate prin teste sau prin alte studii (numericeanalitice)studii (numerice, analitice) Analiza trebuie sa tina cont de variatia in timp a actiunii si de caracterul neliniaractiunii si de caracterul neliniar Analizele neliniare dinamice folosite sunt similare cu cele folosite in ingineria seismica g Modelele de calcul: de la sisteme cu un grad de libertate la cele cu mai multe grade de libertateEvaluarea efectelor exploziei pE ti t f i id tthi h d Estimates of incident pressures at which damage may occurCONCLUZII Codurile de proiectare actuale nu contin prevederi referitoare la actiunile accidentale cauzate de exploziireferitoare la actiunile accidentale cauzate de explozii externe sau actiuni teroriste Sunt acoperite doar cazurile de ciocniri si exploziip pinterne In cazul unor actiuni accidentale, trebuie sa se puna t li itdi t il ili accent pe limitarea distrugerilor si nu pe realizarea unor cladiri rezistente la explozii Scopul acestor prevederi este incorporarea unor Scopul acestor prevederi este incorporarea unor masuri rezonabile care sa duca la imbunatatirea comportarii si a sigurantei cladirii si ocupantilor dar si df ilit f t il hi ldi t tii lde a facilita eforturile echipelor de interventie in cazul producerii unui atac teroristUniversitatea Politehnica TimioaraSiguranta structurilor la actiuni speciale Siguranta structurilor la actiuni specialeCursCurs 10 10M t I Master, an IMetodologia de calculObiectivele proiectrii Este neeconomic igreu de realizat o structur civil astfelpste eecoo c g eu de ea at o st uctu c ast enct s rmn intact in urma unei explozii cauzate de unatacterorist. Incazul acestor cldiri, incarevalorilecaretrebuie protejate sunt chiar persoanele care se afla ininteriorul acestora, obiectivul principal l constituie reducereanumrului devictime chiarincondiiileincarecldirilenu numrului devictime, chiarincondiiileincarecldirilenumai pot fi folositedupeveniment. Aceastaabordaresebazeaz decipe limitarea sau reducerea avariilor. Pentru a psalva vieile ocupanilor, primul obiectiv in faza de proiectarel constituie reducerea avariilor cldirii si prevenireacolapsului progresiv.Principii de securitate Estenevoiecancdinfazadeproiectaresfiedefinitenivele de securitate i msurile necesare pentru ndeplinireal i f i d l t l i lor, in funcie de amploarea atacului.prevenirea atacului: prin adoptarea unormsuricare s ngreunezeaciunile teroriste (de exemplu evitarea parcrilor in apropierea aciunile teroriste (de exemplu evitarea parcrilor in apropiereacldirilor). Este ns de dorit ca aceste msuri sa nu fie prea evidente,pentru a nu stimula producerea unor atacuri t i t l i d t t i ii t dl d l t i l ntrziereaatacului: dacunatacesteiniiat, modul dealctuirealzonei limitrofe sau anumite trsturiarhitecturale pot s ngreunezesarcinaatacatorului. Acest lucruvapermiteforelor depazsauautoritilor ssemobilizeze i sstopezeatacul. Acest lucrusepoate crea prin realizareauneizone tamponintre zoneleaccesibilepublicului si zonele vitale ale cldirii patenuarea efectelor atacului: in cazul in care atacul totui se produce,rezistena cldirii va contribui la limitarea consecinelor atacului. Acestnivel de protecie devine efectiv doar dup ce toate celelalte eforturi nivel de protecie devine efectiv doar dup ce toate celelalte eforturiau fost epuizate.Liniile de securitate mpotriva ataculuiRecomandri de proiectareSelecia amplasamentului Deoarece presiunile provocate de explozii scad rapid cu distana fa de surs, unul din mijloacele eficiente de protecie l constituie asigurarea unei distane ct mai mari intre cldire i un potenial atac terorist. Acest lucru se poate realiza prin urmtoarele msuri speciale: poate realiza prin urmtoarele msuri speciale:realizarea unei linii de securitate de-a lungul perimetrului cldiriiprin meninerea unei distane ct mai mari fa de zonele de acces prin meninerea unei distane ct mai mari fa de zonele de acces ale autovehiculelorlimitarea numrului de autovehicule care au acces in zona de it t securitaterealizarea unor denivelri intre cldire si perimetrul adiacent care s mpiedice apropierea autovehiculelorp p pfolosirea unor bariere de protecie Un mare rol in efortul de reducere a efectelor provocate deCerine arhitecturalepatacurileteroristel areconcepiaarhitecturalacldirii.Acestemsuri auderegulcosturi foarteredusedacsunt luate n considerare nc din faza de proiectare sunt luate n considerare nc din faza de proiectare.- Exteriorul cldirii In general, exteriorul cldirii reprezint punctul sensibil incazul unei exploziidistanta minima fata de exploziese realizeaz de regul din materiale casante. Modul in care este amplasat cldirea poate sa aib un rolimportant asupra vulnerabilitii acesteia. p p In cazul ideal, cldirea ar trebui amplasat ct mai departede limita proprietii Forma cldirii poate sa contribuie de asemenea lareducerea sau amplificarea efectelor explozieielevaieplanelevaieProfiluri care disipeaz unda de socplanProfiluri care accentueaz unda de socpelevaieInfluena profilului cldirii asupra p pforei de impact a exploziei Din punct de vedere al compartimentrii- Interiorul cldirii Din punct de vedere al compartimentriiinterioare, zonele nesigure cumar fi intrrile,zonele de aprovizionare garajele etc trebuie sa zonele de aprovizionare, garajele, etc, trebuie safie separate de zonele sigure ale cldirii. Ideal ar fica aceste zone sa fie plasate in afara cldirii sau pla exteriorul acesteia Soluii de mbuntaire a performantelor: zona de intrare separatzon de aprovizionare exterioar zon de aprovizionare exterioar plasarea parcrilor in afara perimetrului cldirii dac aceste spaii nu pot fi plasate la exteriorul p p pcldirii, eletrebuieplasateindeschiderilemarginaleiar intre acestea i celelalte spaii trebuie create spaiitampon sau linii de protecie tampon sau linii de protecie.BirouriIntrareZona deSpatiucomercialStradaEtaj tehnicaprovizionareGarajEtaj tehnicCompartimentare initialaZ dBirouriIntrare/spatiucomercialZona deaprovizionareBirouriEtaj tehnicGaraj GarajCompartimentareimbunatatitambuntirea compartimentrii prin dispunerea judicioas a spaiilor securizate de cele nesecurizateCerine structurale- Colapsul progresiv Datoritcaracterului imprevizibil al ameninrii teroriste,este practic imposibil prezicerea cu acuratee a naturii i- Colapsul progresivp p p intensitatii aciunii. Deaceea, caomsurdeprotecie,este recomandat realizarea unei protecii mpotrivacolapsului progresiv datorat unor cedri locale ale colapsului progresiv datorat unor cedri locale aleelementelor structurale. Datorita consecinelor catastrofale ale produceriicolapsului progresiv, trebuie acordat o mare atenieincorporrii acestor masuri in proiectarea cldirii. Alegereasistemului structural trebuiesaaibinvederett f t l di t l l i i t i ibilit t d- Sistemul structuralatt efecteledirectealeexploziei ct i posibilitateadeproducereacolapsului progresiv. Pentruaputearezistapresiunii exercitatedeexplozie, sunt necesaremateriale p p ,care sa aib urmtoarele caracteristici: Masa: elementele din materiale uoare nu ofer orezisten suficient la aciunea exploziei. Ex: o cldire cu rezisten suficient la aciunea exploziei. Ex: o cldire cuplanee metalice neacoperite cu beton Rezistena la forfecare: elementele principale ale structuriiderezistensi mbinrileacestoratrebuiesi atingcapacitatea portanta la ncovoiere nainte de cedarea din capacitatea portanta la ncovoiere nainte de cedarea dinforfecare. Prevenirea cedrii fragile din forfecare sporetesemnificativ capacitatea structurii de a absorbi energia p gdegajat de explozie. Rezistena sub ncrcrireversibile: elementele principaleale structurii de rezisten i mbinrile acestora trebuie srezistepresiunii orientatedejosnsus Unelesisteme rezistepresiunii orientatedejosnsus. Unelesistemestructurale, cum ar fi betonul precomprimat, ofer orezisten destul de redus la astfel de aciuni. Pentrumbuntirearobusteii deansambluastructurii- Alctuirea structurii Pentrumbuntirearobusteii deansambluastructurii,sunt recomandate urmtoarele masuri:Incazul structurilorincadre, trebuielimitatdistanadintrestlpi. , pDistanele mari dintre stlpi conduc la scderea capacitii deredistribuire a eforturilor in cazul cedrii unui stlpDeschiderile marginale sunt cele mai expuse la distrugeri in special Deschiderile marginale sunt cele mai expuse la distrugeri, in specialincazul cndseaflainapropiereastrzilor-micorareaacestordeschideri in zonele marginale.Folosirea unor grinzi de transfer este total nerecomandat. Cedareaunuiastfelde element sau cedarea unuireazem alunuiastfeldeelement poate sa produc destabilizarea unei poriuni mari din p p p cldire. Deregul, acestegrinzi sunt dispuselaexteriorul cldirii,pentrurealizareaunor spatii largi laintrare, ceeaceconducelacreterea vulnerabilitii acestora in cazul unei explozii creterea vulnerabilitii acestora in cazul unei explozii.In cazul sistemelor cu perei structurali interiori, pereii longitudinalitrebuie fixai transversal pentru cresterea stabilitatii si scdereai l ii l t l l l i riscul propagrii laterale a colapsului.Incazul sistemelor cuperei structurali exteriori, acetiatrebuielegai lateral pentru a reduce poriunea liber de perete Structura este proiectata sa reziste la ncrcrile- Proiectarea directapconvenionale iar apoieste verificat rspunsulsub aciuneaexploziei In final proiectantul trebuie s se asigure c sunt ndeplinite In final, proiectantul trebuie s se asigure c sunt ndeplinitetoate cerinele rezultate din ncrcrile convenionale Procesul iterativ este necesar deoarece masurile dep[rotectie pot s conduc la scderea performanelorstructurii sub celelalte ncrcri de calcul. Nivelul de distrugere rezultat din calcul poate fi: Nivelul de distrugere rezultat din calcul poate fi:Minor: elementele nestructurale (ferestre, ui, perei despritori) suntavariate sau distruse i se nregistreaz rniiModerat: avariile structurale sunt localizate ipot firemediate. Sunt Moderat: avariile structurale sunt localizate ipot firemediate. Suntafectate elementele mai puin importante (grinzi, planee, pereineportani). Pot sa fie nregistrai rniii chiar pierderi de vieiomeneti. Major: elementele structurale principale (stlpi, grinzide transfer) ipierd capacitatea portanta antrennd i cedarea elementeloradiacente. Sepot nregistranumeroasevictimeiar cldireanumai p gpoate fi reparat Deoarece efectele directe ale exploziei scad rapid cu distana- Elementele structurale Deoarece efectele directe ale exploziei scad rapid cu distanade la locul exploziei, preocuparea principal o constituieasigurarea rspunsului local al elementelor structurale. g p Proiectarea elementelor cadrelor perimetrale are la bazA. Cadrele perimetralepdou considerente principalestlpii exteriori trebuie proiectai astfel nct s reziste efectelor directel l i i ale explozieitrebuie s se asigure c elementele cadrelor perimetrale au suficientrobusteeastfel nct avariilelocalesnuconduclaproducerea pcolapsului progresiv Deoarece stlpii au o suprafa exterioar redus, ncrcrileprovenite din aciunea directa a exploziei (unda de oc) suntmai reduse. Stlpii sunt ns solicitai direct de undelereflectatedecldire carederegulasunt dectevaori mai reflectatedecldire, carederegulasunt dectevaori maiputernice dect undele iniiale datorita amplificrii. In cazulstlpilor aflaiin apropierea unuiautomobilncrcatcu explozibil, principalele moduri de cedare sunt flambajul iruperea din forfecare. Flambajul se poate produce in cazul stlpilor aflai ini l bli d l iil t apropierea zonelor publice, deoarece exploziile pot sdistrug legaturile laterale ale acestora stlpii trebuie s fieastfel proiectai nct s rmn stabili pe dou trei nivele astfel proiectai nct s rmn stabili pe dou trei nivele. In cazulstlpilor metalici, este recomandat ca mbinarea decontinuitate sa fie amplasat ct mai sus posibil fa denivelul terenului. Structurile cu pereiportanidin beton pot s ofere un nivelsporit de protecie la aciunea exploziilor atunci cnd sporit de protecie la aciunea exploziilor atunci cndprocentul dearmareesteadecvat pentruasigurareauneicomportri ductil se pot folosi pentru poriunile din comportri ductil se pot folosi pentru poriunile dinstructur aflate in imediata apropiere a zonei securizate. Peretii din zidrie au o comportare mult mai fragila fiindnerecomandai n cazul cldirilor noi. ncrcarea principal care solicit acoperiul este presiuneaB. Sistemul de acoperi ncrcarea principal care solicit acoperiul este presiuneaexercitat pe vertical de sus n jos. Zonele critice sunt reprezentate de deschiderile perimetrale -d hid il i t i i i li it t deschiderile interioare mai puin solicitate. Incrcrile suplimentare - presiunea exercitata de jos in sus,produs prin propagarea undei de oc prin interiorul golurilor p p p pg p gsi de suciunea produs in timpul fazei negative. Protecieridicat- planeedebetonsi grinzi debetonpeambele direcii ambele direcii. Protectie mai scazuta - planseele realizate cu grinzi metalicesi placadebeton. Comportareasepoatembunti dacsunt realizate planee cu conlucrare ntre structura metalici placa de beton. Planseeleprefabricate i precomprimateoferosiguran Planseeleprefabricate i precomprimateoferosiguranmult inferioar celorlalte sisteme. Proteciaceamai sczutaoofersistemelerealizatedinl di t l lemn sau din metal.P t ifi l l t bi l t id t iC. Sistemul de planeu Pentru verificarea planeelor, trebuie luate n considerare treiscenarii posibile:explozia aerian predistribuirea ncrcrilor in cazul cedrii stlpilor sau pereilor portanicapacitatea de reinere a fragmentelor in cdere provenite de laetajele superioare etajele superioare In cazul structurilor aflate in imediata vecintate a unor spaiideschisecirculaiei, presiuneaverticalorientatdejosinsus(exploziaunei maini)poatesconduclaprbuireaplaneului pe mai multe nivele i pe mai multe deschideriOatenie sporittrebuie acordatcldirilor careprezint Oatenie sporittrebuie acordatcldirilor careprezintretrageri sau etaje n consol Trebuie de asemenea acordat o atenie sporit planeelor Trebuie de asemenea acordat o atenie sporit planeeloraflatedeasuprazonelor nesecurizate: intrrile, spaiiledeaprovizionare, garaje, etc. Protecie sczut - planeele prefabricate sau precomprimateCosturile sistemelor de protecieCosturile iniiale Costurile iniiale ale sistemelor de protecie se pot mpri in:costuri fixe: elementelor desecuritatesi spaiul aferent funcionariiCosturile iniialecosturi fixe: elementelor desecuritatesi spaiul aferent funcionariiacestora; nu depind de nivel ataculuicosturi variabile - costurile pentru realizarea proteciei structuriimpotrivaefectelor exploziei depinddirect denivelul deameninare p p p adic de nivelul ncrcturii explozive. Proiectantul nu poate stabili cu exactitate valoarea maxim ancrcturii explozive dar poate s defineasc i s realizeze ncrcturii explozive dar poate s defineasc i s realizezeun perimetru minim de securitate. Costurile realizrii acestui perimetru minim iau in considerarett t il il d t i t i t l t l i att costurilemasurilor deproteciect i costul terenului,Chiar dacestedificilrealizareaunei estimri preciseacosturilor totale, se poate face o clasificare a acestor masuri , pn funcie de mrimea costurilor necesare implementrii lor:ntrirea zonelor nesecurizatemasuri pentru mpiedicarea colapsului progresiv masuri pentru mpiedicarea colapsului progresivelemente de nchidere exterioar cu comportare mbuntitLegtura dintre costul msurilor de protecie i reducerea riscului reducerea riscului Atunci cnd costul sistemelor de protecie rezult prea ridicat,pot fi rmate trei ci de redcere a cost rilorStabilirea prioritilorpot fi urmate trei ci de reducere a costurilor:reducerea ameninriicrearea unor obstacoleacceptarea riscului Inunelecazuri, beneficiarul poatesoptezepentruunelesau altele dintre aceste masuri sau altele dintre aceste masuri Luarea in considerare a masurilor de protecie nc din fazad i t d l d t il de proiectare conduce la reducerea costurilor In multe situaii probabilitatea sczut de producere a unui In multe situaii, probabilitatea sczut de producere a unuiatentat nu constituie un motiv suficient pentru luarea decizieide realizare a unor masuri de protecie. De aceea, este de neles de ce aceste masuri sunt de regulaadoptatedoar incazul cldirilor cufactor marederiscin pcondiiile in care normele nu prevd obligativitatea acestora. Pebazaacestui scenariu, cldirilepot fi mpriteindouStabilirea prioritilorp p categorii:cldiri carenuncorporeazmasuri deprotecie, eventual msurileminime de protecie minime de proteciecladiri care ncorporeaz msuri ridicate de protecie De aceea, in cazul cldirilor de importan normal,implementarea msurilor de protecie se limiteaz de regulla adoptarea msurilor minime.2.1 Approved Document A ppAcest document se constituie ca un ghid practic referitor laevaluarea integritatii structurale si asigurarea unei robusteticorepunzatoare a cldirilor si trateaz urmtoarele 3aspecte: A1 Incarcari A1 - Incarcari A2 - Micarea terenului A3 - Colapsul progresiv A3Colapsul progresiv Scopul principal al seciunii A3 il constituie masurile pentru Scopul principal al seciunii A3 il constituie masurile pentru evitarea colapsului progresiv printr-o conformare adecvata a structurii si printr-o robustee corespunztoare a l t l d i l i d ii elementelor reducerea riscului producerii unor distrugeri disproporionate in raport cu cauzele care au stat la baza producerii accidentului la baza producerii accidentuluiOn the morning of 16th of May 1968 an explosion caused the collapse of one corner of a 23 storey block of flats corner of a 23 storey block of flats (apartments) in Clever Road, Newham in east London.The structure of Murrah Federal Building before and after the car bomb attack of 1995 bomb attack of 1995Metodologia de verificare presupune urmtorii pai: Metodologia de verificare presupune urmtorii pai:a) se determina clasa cldiriiClasa Tipul cldirii si ocuparea1Case cu maxim 4 etajeC Cldiri agricole2A Cldiri de locuit cu 5 niveleBlocuri de locuine cu maxim 4 etaje2Cldiri comerciale cu maxim 3 etaje si mai puin de 2000m2deplaneu pe fiecare etaj2B Hoteluri, blocuri de locuine sau alte cldiri rezideniale care auintre 5 si 15 etaje intre 5 si 15 etajeCldiri comerciale care au intre 3 si 15 etajeSpitale care au maxim 3 etaje Cldiri de birouri care au intre 4 si 15 etaje Cldiri de birouri care au intre 4 si 15 etaje3 Toate cldirile apartinand claselor 2A si 2B care au un numr maimare de etaje sau suprafee mai mari de planeu Sli de sport sau spectacole cu mai mult de 5 000 de