SISTEM DE IZOLARE SEISMICĂ UTILIZÂND PERNE DE AER ȘI EEW

8/12/2019 SISTEM DE IZOLARE SEISMIC UTILIZND PERNE DE AER I EEW

1/10

1

SISTEM DE IZOLARE SEISMICUTILIZND PERNE DE AER I EEW EARTHQUAKE EARLY WARNING

ABSTRACT

The project is suggesting a comparison between the planimetric projected dimensions, and the ones

put effectively in work, for a civil multi-staged building, edified in Cluj-Napoca.

The execution project, certified for non transformation, that stood as the base of the building

edification, was made available to our study by the investor. The building has been cleared of furniture, for

easier measurements, so that they could be more conclusive.

The measurements have been done by a team made of three persons, using for measuring thedistances and surfaces a laser meter Leica DISTO A3. This instrument is based on the laser technique,

namely Laser class II, Laser type 635 nm, < 1Mw. The laser merer is a robust instrument, with thedimension 135 x 45 x 31 mm and reduced weight ( 150 g ), which makes is easy to use. The keyboard allows

elemental calculations like adding and subtracting, us well as calculation of surfaces and volumes. There

also exist keys extra functions which calculate the diagonals from the corners, by measuring the minimum

and maximum, alongside with memory keys that easily store the measured values.

At the same time, the accuracy of the measurements can be accentuated with the help of instruments

based on laser-technique, in our case, the Leica DISTO A3 laser-meter.

The comparative results of the study between the estimated dimensions and the actual ones, the onesput in the work, will be presented in the tabulated form.

1. INTRODUCERE

Cutremurele de pmnt sunt fenomene geologice natural, complexe, care se exteriorizeaz prinmicri dezordonate ale soarei terestre. Aceast micare, cu o durat relativ scurt, are variaii rapide aledireciei, vitezei i acceleraiei. Vibraiile rezult fie din micrile plcilor tectonice, fie din activitateavulcanic,fie din cedarea straturilor geologice. Cutremurele puternice pot distruge construcii, cldiri, chiar


2/10

2

i localiti ntregi,putnd produce ca efecte secundare alunecri de teren, incendii i alte catastrofe naturale.Cutremurele submarine pot declana formarea de valuri uriae, cu nlime de pn la 30 de metri icu vitezeimpuntoare depn n 800 km/h (tsunami).

Seismele pot aciona asupra mediului nconjurtor prin modificarea strii de echilibru a structurilorsuperficiale ale terenului, prin rupturi n scoar, nsoite de prbuiri sau procese de faliere; alunecri deteren cu antrenarea unor versani; tasri i lichefieri ale depozitelor nisipoase saturate. Cutremurele ialunecrile de teren pot produce aupra construciilor i ansamblurilor de construcii efecte negative, cum ar

fi: distrugerea total sau parial a unor cldiri vulnerabile; distrugerea unor elemente (structurale saunestructurale); distrugerea/avarierea unor echipamente i instalaii din cldiri, a unor reele publice deutilitate vital (alimentare cu ap, gaze, energie electric, energie terminc, transport, comunicaii) i izolareaunor zone; blocarea unor intersecii de strzi principale, ca urmare a prbuirii unor cldiri i mpiedicareaoperaiunilor de salvare-ajutorare, (Fig.1., Fig. 2.).

Fig. 1. Structuriprbuite, Haiti, 2010

Fig. 2. Efecte ale cutremurelor

Pentru structuri mai noi, normele seismice introduse dup1981 i 1995 asiguro rezisten crescutfa de cele proiectate anterior. Pentru a reduce efectele cutremurelor, nc din secolul XX au fost propusesisteme de amortizare. Dezvotarea lor este o prioritate pentru cercetrile din ntreaga lume ntructmbuntesc semnificativ comportamentul structurii. Sistemele de izolare antiseismic sunt n principaldispozitive care au drept scop micorarea impactului seismului prin mrirea perioadelor proprii de vibraie itransmiterea i disiparea impulsului seismic.

2. PROTECIA ANTISEISMIC A CONSTRUCIILOR

Seismul produce micarea bazei de rezemare a cldirii. Fundaia transmite micarea oscilatorieintreinu, iar dup ncetarea seismului, execut oscilaii libere amortizate. Aciunea seismic trebuieconsiderat ca un process continuu de alimentare cu energie a structurii de ctre teren prin intermediulfundaiei. In desfurarea acestui proces, se realizeaz un bilan energetic care conine: energia indus nstructur, energia absorbitde structuri energia restituitterenului.

Toate aceste forme de energie constitue energia capabil a structurii. Aceast energie reflectposibilitile de deformare elasticale structurii dar i capacitate de deformare elastoplastic. Considerentelede mai sus permit intuirea a doumodaliti de concepere a construciilor rezistente la cutremur.

O prim legaturconst n realizarea unor asemenea legturi ntre structura i fundaie astfel nctenergia care intr n structur s fie ct mai mic. Construciile realizate n conformitate cu acestea, se


3/10

3cunosc sub denumirea de cldiri cu sisteme de protecie seismicde izolare a bazei. Principalele mijloace deobinere a sistemului de izolare seismicsunt: fundaiile cinematice, reazemele elastic istlpii pendulari.

O a doua modalitate pentru a crea construciilor rezistente la cutremur, opteaz pentru variant demrire a energiei capabile, prin:

sporirea energiei capabile a structurii prin echiparea acesteia cu disipatori de energie; scheletul portant se realizeazastfel nct s consume mai multenergie indus.Sistemele de izolare sesimicau drept scop reducerea impactului cutremurelor asupra construciilor

cu ajutorul unor dispositive speciale. Se utilizeaz dou feluri de sisteme de protecie seismic, active ipasive. In primul caz, dispozitivele folosite genereazartificial o micare cu parametri adaptabili care este desens contrar micrii seismice. n schimb, sistemele de protecie pasiv au drept scop s concentrezedeformaiile sesimice n anumite zone i sconsume o parte din energia seismic. Se deosebesc patru feluride sisteme de protecie pasiv:

sisteme de izolare la baz; sisteme de amortizare adugate; sisteme vibratoare abordate; sisteme cu dispozitive histeretice.In prezent, cel mai larg folosite sunt dispozitivele de izolare ale bazei, datorit proiectrii simple i a

uurinei de realizate i de intreinut. Izolarea bazei presupune realizarea unei legaturi speciale ntreconstrucie i fundaie, care s decupleze micarea structurii de micarea bazei de rezemare, Fig. 3.

Fig. 3. Modul de lucru al izolatorilor la baza structurii: (a) fundaie direct; (b) fundaie izolat

Sistemele de amortizare mbuntesc proprietile disipative ale structutii fr modificrisemnificative ale rigiditii i capacitii portante ale construciei. Sistemele de amortizare adaugate creeazocretere a perioadei proprii de vibraienatural, creia i revine un spectru de rspuns al acceleraiei de maimic intensitate.

3. IZOLAREA SEISMIC

Izolarea bazei de rezemare a structurii urmrete introducerea n suprastructur a unei cantiti maimici de energie. Datorit acesteia, micarea constructiv are o dezvoltare redus i n consecin, forele deinerie au intensiti mici.

Asadar, pricipalul scop al acestor sisteme const n:

limitarea forelor din structursub nivelul de avarie, fiind sigurane fuzibile; concentrarea deformaiilor structurii n aceste dispozitive cu scopul de a disipa cea mai mare

parte din energia indus.

3.1. Evoluia sistemelor de izolare seismic


4/10

4

Fundaii cinematiceFundaiile cinematice se compun din doublocuri unul inferior i celalalt superior. Intre blocuri se

insereaz un element cu rol de rulment. Aceste, la rndul su, are dou balastiere metalice ntre care seinterpun fie rulouri, bile sau elipsoizi, (Fig. 4.)

Fig.4.Reazeme cu rulouri cu deplasare (a) Pe o direcie (b) Pe dou direcii

Construcii pe reazeme elasticePrincipiul de funcionare al acestui sistem de izolare, const n interpunerea unui baraj, disipator de

energie ntre fundaie i suprastructur, Fig. 5. Acest baraj consum o mare parte din energia seismuluiindusprin deformaii elastice.

Introducerea ntre construcie i fundaie a unor reazeme elastice pachete de cauciuc, resort metalicare ca efecte:

izolarea suprastructurii de fluxul energiei seismice; readucereaa structurii la poziia iniial; creterea perioadei proprii a oscilaiilor libere i n consecin, reducerea forelor de energie.

Fig. 5. Reazeme elastice

Sisteme de izolare cu resorturi metaliceLa acest sistem, fundaia construciei se realizeaz din corpuri separate printr-o folie de p.v.c.

(Fig.6.). Prin comprimarea resorturilor, corpul 2 al fundaiei se desprinde de corpul 1 i rmne suspendat. Peblocul 2, se dezvoltsuprastructura. Micarea seismic agitterenul i blocul 1 al fundaiei. Suprastructuraprimete o cantitate mic de energie dezvoltatde resorturi.


5/10

5Fig. 6.Fundaii cu arcuri metalice

Sisteme de izolare pe reazeme din cauciucReazemele din cauciuc au nceput s fie frecvent folosite la construciile care necesit protecie

seismic total cum ar fi: centrale atomo-electrice, construcii vitale, monumente istorice. Reazemele dincauciuc, folosite la izolarea seismic, trebuie sfie flexibile pentru a transmite o energie ct mai mic, dar i

rigide pentru a prelua ncrcrile vertical, Fig. 7.

Fig. 7.Fundaie pe reazeme de cauciuc

Sisteme de izolare pe stlpi pendulariStlpii pendulari situai ntre fundaie i suprastructur, constituie un element de scurt circuit al

fluxului energiei seismice. Ei sunt astfel alctuii nct permit micarea pmntului, a fundaiei subconstrucie, fr ca aceasta s sufere deplasri mari, Fig. 8.

Fig. 8. Stlpi pendulari

Disipatori histereticiDisipatorii energetici sunt introdui n scheletul portant avnd i rol de rezisten. La un eveniment

seismic care depete o anumit intensitate, disipatorii sunt obligai s urmeze deformaiile impuse deforele de inerie. Cnd parcurg aceste deformatii, n disipatori se produc deformaii remanente, careconstituie reduceri ale energiei seismice induse. Un exemplu de astfel de disipator este disipatorul de tipcilindru piston din Fig. 9.


6/10

6

Fig. 9.Disipator de tip cilindru-piston

4. SISTEMUL DE IZOLARE CU PERNE DE AER

Unul dintre cele mai performante i noi sisteme de izolare seismic este sistemul de izolare pe pernede aer (Fig. 10). Cu toate acestea plutirea permanent este instabil, deoarece structura este capabil s semite nu doar din aciunea seismului, dar i din ncrcarea vntului sau alte ncrcri orizontale, deoarece

sistemul are un coeficient de frecare mic. n acest sistem de izolare, un rol important l are sistemul deavertizare seismic (earthquake early warning EEW). Sistemul EEW furnizeaz datele despre seism idetermin activarea sistemului de izolare. Acest sistem de izolare include perne de izolare ca staii de izolare,aceste perne sunt mecanisme hidrostatice care reduc suprafaa de frecare cu fundaia printr-un strat subireprodus de aerul compresat.

Fig. 10.Sistem inteligent de izolare seismicpe perne de aer

Se pot utiliza dou tipuri de perne de aer, perne tip diafragm i perne tip poros (Fig. 10 i 11).Principiul de funcionare a primului tip de perne este similar cu cu cel al mainilor pe perne de aer. Acesteperne au o pondere de ridicare suficient, de exemplu capacitatea maxim a pernelor de aer, cu diametrul de1400 mm ajunge la 40000 kg. Acestea nu se utilizeazla structurile joase. Pernele de tip poros, au o variaiea nlimiisubstanial mai miciun coeficient de frecare mult mai mic comparativ cu pernele tip diafragm.Acestea se utilizeaz pentru izolarea echipamentelor de precizie dar i a construciilor valoroase. ncontinuare au fost studiate pernele tip diafragm deoarece au capacitate i abilitate de a se mica spresuprafa.


7/10

7

Fig. 11.Pern de aer tip diafragm

Fig. 12. Pernde aer tip poros

4.1. Sistemul de avertizare seismic(EEW)

EEW este un sitem care calculeaz intensitatea maxim i timpul de sosire al undelor seismice. nprimul rnd seismometrele instalate aproape de epicentrul cutremurului detecteaz primele unde seismice,aceste date sunt transmise la un centru de operare unde sunt estimate timpul de sosire a undei i intensitateaei pentru un loc aparte care este analizat. n final semnalul de alarmeste transmis populaiei, pentru evitareaefectelor secundare ale seismului (Fig. 13).


8/10

8

Fig. 13.Sistem de avertizare seismictimpurie

4.2. Principiul de funcionareOperaia sistemului de izolare este divizat n 4 faze principale

1. detectarea cutremului;2. analizarea/determinarea activrii;3. izolarea;4. revenirea.O dat ce etapa detectarea cutremurului a fost parcurs, informaia obinut este transmis la uncentru de prelucrare, de acolo este transmis individual staiilor sistemelor de izolare. Aceast informaie

poate fi utilizat pentru deconectarea instalaiilor de gaze, ap, curent electric, .a.m.d. Informaia estetransmisla UPS care include sistemul de izolare i ncepe aprovizionarea pernelor de aer cu aer comprimat.n faza izolrii, pstreaz curgerea aerului pn cnd cutremurul se linitete. n final, sistemul de izolareoprete compresorul i structura revine la faza iniial. Dac apar deplasri remanente, este pozibilreactivarea sistemului i aducerea structurii n poziie iniial.

4.3. Sistemul de izolare experimentalS-a construit un model experimental pentru investigarea comportamentului i performanelor

sistemului propus, Fig. 14. n primul rnd aerul comprimat este generat de compresor, pus n funciune de unmotor diesel i este acumulat n rezervorul de aer. Prin urmare fluxul aerului comprimat este controlat de osupap rigid care deschide i nchide valva solidi este controlat de un semnal de la EEW primit de pe PC.

Dupaceasta aerul comprimat este direcionat ntr-un spaiu separat a sistemului de ventilare cu regulatorcare regleazpresiunea aerului. Dupce aerul comprimat este repartizat n pernele de aer, controlul vitezeiajusteaz presiunea aerului i rata fluxuluin fiecare pern separat, n final aerul ajunge n pernele de aer prinrezervoare mici de aer. Aceste rezervoare de aer ndeprteaz variaia presiunilor de aer nainteapompriilui n pernele de aer.

Fig. 14. Element experimental


9/10

9

Fig. 14. reprezinto imagine a unui fragment de izolare amplasat pe o suprafa vibrat. Suprafaaeste confecionat din oel cu ltime de 0.75 m, nlime de 0.261 m i greutate de 636 kg. Varietatea iviteza controlului este setat pe suprafa, 4 perne de aer fiind instalate sub fiecare col al suprafeei, fiecarepern de aer avnd o capacitate de 235 kg, diametrul de 0.150 m, primind o presiune de 0.15 MPa a aerului i0.12 m3 pe min a rata de curgere. Este plasat o barier mprejurul suprafeei pentru a limita deplasrileexcesive, iar un burete este amplasat n interiorul barierei, pentru a diminua ocul de contact. Dimensiunea

dintre bareir i burete este de 0.250 m n fiecare direcie, iar grosimea buretelui este 0.050 mTrsturile acestui sistem de izolare sunt caracterizate prin: sistemul are o preforma seismic adecvat, deoarace sistemul izoleaz vibraiile printr-o

suprafade frecare sczut generatde un strat subire de aer. Sistemul este acionat de uncompresor de aer, ceea ce i confero siguran nalt;

dac structura nu este ridicat naintea micrilor principale, pernele acioneaz precumizolatorii mecanici bazai pe principiul pendulului cu friciune;

posed nu doar EEW, dar i instalaii locale cu senzori pentru undele vertical; sistemul UPS asigur funcionabilitatea sistemului de izolare inclusive i n timpul

cutremurului.

5. PROPRIETILE DE BAZALE SISTEMULUI DE IZOLARE

Testele efectuate pe platforma seismic, au fost necesare pentru investigarea performanelor deizolare ale acestui sistem. S-a confirmat cperioada de timp de la primirea semnalului de alarm de la EEW,pn la ridicarea structurii este mai mic de 1.2 secunde. n consecin s-a confirmat faptul ca sistemul deizolare rspunde foarte rapid, ns este necesar meninerea n stare plin a rezervorului cu aer comprimat.

5.1. Direcie orizontalVariaia nlimii pe verticala sistemului de izolare este foarte mic, astfel viteza aerului comprimat

ntre pern i pmnt este foarte mare. Fora orizontal este primit ca forde lunecare a sistemului izolator.Coeficientul forei de frecare este foarte mic. n cadrul testelor, s-a demonstrat crata maxim a rspunsuluiacceleraiei de impact este 0.56%, astfel acest sistem are o performan adecvat mpotriva impactuluiorizontal. Aceste sistem de izolare este foarte stabil mpotriva impactului orizontal.

5.2. Direcie verticalAcest sistem de izolare poate amortiza micrile verticale ale pmntului, aa cum a fost menionat

la nceput. Pernele de aer lucreaz ca nite resorturi de aer, pe direcie vertical. Variaia nlimii este nconcordan cu unda de impact, totui domeiul de varia ie este mic, fiind n jur de 3mm, astfel existnd unrisc minor de coleziune ntre bariera de izolare i suprafaa platformei seismice. Este preferabil de a pstrafrecvena natural vertical nafara frecvenei predominante a undelor seismice, pentru a obine performanaizolrii. Acceleraia rspunsului vertical este echivalent cu acceleraia undelor de impact, astfel izolareabarierei are o frecven natural n jurul frecvenei naturale a undelor de impact.

5.3. Direcie orizontal i verticalLa efectuarea testelor combinate, pe ambele direcii, s-a constatat c rspunsul maxim orizontal de

accelerare este de 12.8% din acceleraia de impact. n consecin sistemul de izolare demonstreazperformane de izolare bune,ns micrile verticale influieneaz negativ comportarea structurii pe direcieorizontal. Pe de altparte acesta confirm c micarea orizontal nu o afecteaz pe cea vertical. Toatetestele au fost efectuate la JMA Kobe, Japonia.

6. CONCLUZIITestul de vibrare tridimensional, a confirmat c sistemul de izolare seismic are un randament

adecvat, de exemplu raspunsul de accelerare orizontal este mai mic dect 38% din acceleraia de impact.Sistemul de izolare inteligent acioneaz sistemul de izolare relative repede, n mai puin de 1.2

secunde.Sistemul are o frecvenvertical n jur de 56.2 Hz, care este echivalent cu frecvena predominant

a undelor seismice. Rspunsul structurii este optimizat deoarece sistemul de izolare are o rat de amortizareperformant. Rata de amortizare verticaleste 9.58%.


10/10

10

Precizia sistemului EEW a crescut n fiecare an, astfel sistemul inteligent de izolare are o ratadecvat de performan.

7. Obiective de cercetare viitoare: micorarea sistemului de izolare (n sistemul propus aerul compresat ocup partea cea mai

vast al sistemului); calcularea i determinarea dinamicii aerului pentru proiectarea i selecia pernelor de aer; Se ateapt ca proprietaile verticale necesare pentru sistemul de izolare s fie obinute de

proiectarea variat a pernelor, astfel trebuie s se considere rigiditatea i amortizarea. Teoriaaerului-resort i calculul dinamicii aerului vor contribui la realizarea pernelor de aer necesarepentru sistemul de izolare seismic.

metoda de control a sistemului de izolare trebuie s fie mbuntit n baza proprietilorconsiderabile ale undelor seismic.

5. BIBLIOGRAFIE

1. Soil Dynamics and Earthquake Engineering (www.elsevier.com/locate/soildyn).2. Ioana Olteanu Evaluarea comportrii structurilor n cadre din beton armat supuse la aciuni seismice; Iai, 2011.3. Diana-Martina Frumosu Aspecte ale comportrii la aciuni seismice ale structurilor metalice multietajate in cadre contravntuitecentric prevzute cu amortizori i fr amortizori; Bucureti, 2011.4. Bogdan Petrina, tefania Pasca, Ioana Murean Seismic isolating systems classification, proprieties and utilization; Cluj-Napoca,2011.5. Vasile-Virgil Oprioreanu Contribuii la aplicarea izolrii bazei n proiectarea seismic din Romnia; Bucureti, 2012.6. Cristian Ghindea, Nicolai opa Studiu de caz asupra unor structuri cu baza izolat; Bucureti.7. O provocare pentru arhitectura zonelor seismice. (www.revistaconstructiilor.eu)8. Kelly, T.E. Base Isolation of Structures. Design Guidelines, Wellington, New Zealand, ed: Holmes Consulting Group Ltd, 2001.9. A.B.M. Saiful Islam*, Mohammed Jameel and Mohd Zamin Jumaat - Seismic isolation in buildings to be a practical reality:Behavior of structure and installation technique; Journal of Engineering and Technology Research, April 2011.10. Iuliu Dimoiu Inginerie Seismica; Bucuresti, 199911. Michael N. Fardis - Seismic Design, Assessment and Retrofitting of Concrete Buildings; Greece, 200912. http://articles.architectjaved.com/earthquake_resistant_structures/design-earthquake-resistant-buildings-engineering-tips/ Base

SISTEM DE IZOLARE SEISMICĂ UTILIZÂND PERNE DE AER ȘI EEW

Documents

Transcript of SISTEM DE IZOLARE SEISMICĂ UTILIZÂND PERNE DE AER ȘI EEW