Studiul Stabilitatii Si Ductilitatii Halelor Metalice Usoare Cu Structuri in Cadre

8/7/2019 Studiul Stabilitatii Si Ductilitatii Halelor Metalice Usoare Cu Structuri in Cadre

1/36

Raport de Cercetare

Grant: CNCSIS Td, Cod CNCSIS 1

STUDIUL STABILITATII SI DUCTILITATII HALELOR METALICE USOARE CU STRUCTURI INCADRE CU SECTIUNI VARIABILE DE CLASA 3 SI 4

Autor: Cristutiu Ionel-Mircea

Universitatea: POLITEHNICA Timisoara

Revista de Politica Stiintei si Scientometrie- Numar Special 2005 - ISSN- 1582-1218 1/36


2/36

CUPRINS

1. INTRODUCERE1.1 Noiuni generale

1.2.Soluii constructive generale1.3 Soluii de nchideri1.4 Cerine impuse de normele romaneti n vigoare1.5 Stabilitatea riglei transversale1.6 Stabilitatea stlpului

2. STUDIUL STABILITATII CADRELOR METALICE PORTAL2.1 Instabilitatea n planul cadrului2.2 Cadrele studiate i modul de analizare2.3 Analiza de stabilitate2.4 Cazuri practice de proiectare

3 STUDIUL DUCTILITATII CADRELOR METALICE PORTAL3.1 Introducere3.2 Cadrele studiate i metodele de analiz3.3 Ductilitatea cadrelor portal3.4 Cazuri practice de proiectare

4. COMPORTAREA IMBINARILOR CADRELOR METALICE PORTAL4.1. Introducere4.2. Metoda componentelor - generaliti4.3. mbinrile studiate i metodele de analiza4.4. Rezultatele analizelor 4.5 Teste experimentale

5. CONCLUZII

6. BIBLIOGRAFIE



3/36

1. INTRODUCERE

1.1 Noiuni generale

Datorit avantajelor tehnico-economice pe care le prezint, construciile metalice n general i profilele

din oel cu perei subiri formate la rece n special au cunoscut o dezvoltare exponenial n ultimeledecenii, n special n rile industriale dezvoltate din Europa i Statele Unite.

O definiie exhaustiv n legtur cu noiunea de "hal metalic uoara", mai ales n contextul actual aldezvoltrii sectorului de construcii metalice ca i al afluxului de noi tehnologii, este extrem de dificil deformulat. Totui, se poate afirma c halele metalice uoare, n accepiunea actual a acestui termen,constituie o familie de sisteme constructive cu urmtoarele elemente comune din punct de vedere alutilitii, al sistemului adoptat pentru structura metalic de rezisten, al sistemului de nchidererespectiv al dispozitivelor de transport nterior:

A) Utilitate: exclusiv cldiri din sectorul ne-rezidenial (spaii de producie, cu caracter comercial sidepozite)

B) Sistemul adoptat pentru structura metalic de rezisten const n: cel mai frecvent structuri metalice cu un singur nivel i cu una sau mai multe deschideri,realizate n sistem de cadru portal; structuri metalice cu un singur nivel, care au prevzut n interior un planeu intermediar tipmezanin cu extindere parial pe suprafaa construit; structuri metalice cu mai multe nivele, avnd planeele intermediare realizate din tablcutat i beton armat, n sistemul de dal colaborant.

C) Sistemele de nchidere sunt realizate pe baz de tabl cutat, iar scheletul de rezisten al nchiderilor este realizat din profile de oel cu perei subiri formate la rece;

D) Dispozitivele de transport interior au capaciti reduse, putnd fi att rezemate la faa interioar astlpilor ct i suspendate de riglele cadrelor.

1.2 Soluii constructive generale.

Ca urmare a modificrilor permanente ale tehnologiilor de producie, de depozitare i de distribuie,exist o cerere continua pe pia pentru construciile din oel cu un singur nivel. Cu toate c, n acestdomeniu domin sectorul industrial, exist si alte sectoare cu dimensiune semnificativ cum ar fi cel alstructurilor pentru spaii comerciale sau pentru agrement. n domeniile menionate, oelul rmnematerialul de construcie fr rival, iar structurile realizate din acest material nsumeaz n oricare anal ultimei perioade circa 90% din totalul suprafeei construite.

Cauzele principale ale acestei stri de fapt pot fi atribuite urmtorilor factori:

Rezistena ridicat a materialului care permite acoperirea unor considerabile deschideri libere:deschideri de peste 23 m se realizeaz n mod curent n fiecare an; Viteza de execuie, care permite o punere n funcie mai prompt a obiectivului respectiv ideci o recuperare mai rapid a investiiei; Adaptabilitatea sistemului constructiv, care permite extinderea acestuia sau schimbareadestinaiei sale. Circa o treime din cheltuielile de investiii pentru construcii industriale suntdestinate extinderilor sau modificrilor; Reutilizarea i / sau reciclarea materialelor de construcie.

Structura pe cadre metalice de tip portal cu inim plin, a devenit la ora actual soluia cea mairspndita pentru cldiri industriale deoarece se preteaz la un grad ridicat de industrializare aexecuiei, ceea ce conduce la costuri si termene de execuie mai mici.

Cadre portal cu o singur deschidere



4/36

Cadrele de tip portal cu deschideri libere (L) mergnd pana la 43 m ofer o mare versatilitate asoluiilor constructive.

n cazul adoptrii unor nlimi la streaina (H) de 4 pana la 5 m, rezulta elemente structurale i detaliide mbinare relativ uoare, ns aceste nlimi pot fi eventual depite pentru a se asigura condiiileimpuse de utilizarea spaiului respectiv (considerente de gabarit interior de depozitare sau de gabarit

de pod rulant). Evident c o structur mai nalta este supus la ncrcri de nivel mai ridicat dect una joas, datorit crora, de exemplu pentru creteri ale nlimii la streaina de pn la (10 m) numaipreul structurii de rezistenta principale (cadrele metalice) crete cu 25%. La aceasta se adaug icosturile suplimentare ale nchiderilor.

Figura 1.1 Cadre portal cu o singur deschidere

Minimizarea costurilor de utilizare ale cldirii (climatizare interioar, iluminare) se poate realizalimitnd cat mai mult posibil volumul construit, prin limitarea nlimii la streaina: la aceasta se poateaduga i adoptarea unei nlimi reduse la coam (n relaie cu panta minim admis pentru nvelitoare), ceea ce contribuie la eliminarea spaiilor interioare moarte de sub acoperi.

Cadre cu stlpi intermediari

n cazul n care deschiderea liber nu este absolut necesar, ea poate fi mprit n dou prinintroducerea unui stlp intermediar, ceea ce reduce costul structurii cu 20-25% (evident, minus costulfundaiilor suplimentare necesare irului de stlpi intermediari introdui).

Figura 1.2 Cadre cu stlpi intermediari

Necesitatea schimbrii de pant a acoperiului ca i a introducerii unor sisteme de colectarecorespunztoare pentru apa de ploaie este eliminat dac se folosesc unul sau mai multe iruri destlpi intermediari, ceea ce permite meninerea acoperiului n dou ape caracteristic cadrului portalcu o singura deschidere.

Un avantaj suplimentar al cadrului cu stlpi intermediari se manifest atunci cnd exist cerinacompartimentrii spaiului interior, caz n care aceti stlpi pot susine pereii despritori dintre

ncperi sau n caz de necesitate pot fi folosii pentru susinerea unor planee intermediare.Cum elementele structurii principale de rezistent (stlpii exteriori si riglele nclinate ale cadrului)



5/36

rezulta cu dimensiuni ale seciunii transversale mai mici dect n cazul deschiderii libere, vor trebuiluate msuri pentru ca structura in ansamblul ei sa fie suficient de rigid pentru a face fat la solicitriorizontale (vnt, seism).

Cadre cu tirant

Cadrul cu tirant reprezint o soluie constructiv, eficient prin reducerea momentelor ncovoietoaredin stlpi i a reaciunilor orizontale din fundaii, care vor fi preluate parial de ctre tirantul (T). Totui, n acest caz intervin i o serie de dezavantaje, nu numai n ceia ce privete introducerea tirantului caelement structural suplimentar ci datorit necesitaii introducerii pendulilor intermediari verticali (T1)prin care se evita o ncovoiere nedorit a tirantului. Totodat este necesar prevederea unor elementede contravntuire cu rol de preluare a compresiunii induse n tirant de succiunea din vnt pe acoperi.

Figura 1.3 Cadre cu tirant

La cldirile care necesit luminator zenital, trebuie prevzut i o structur suplimentar care sasusin acest element precum i diverse elemente de instalaii dispuse eventual n grosimea pereilor si.

n cazul acoperiurilor cu panta mai mic dect 15, soluia cadrului cu tirant devine nepracticdeoarece mpingerile riglelor cresc excesiv i, n acelai timp, pot s apar dificulti n ceea ceprivete realizarea constructiv a blocajelor tirantului n zona colului de cadru. Similar cadrului custlpi intermediari, trebuiesc luate msuri speciale pentru asigurarea rigiditii structurii la foreorizontale.

Cadre cu ferme

Structurile ce utilizeaz cadre cu ferm au fost practic eliminate n ultimul timp de structurile cu cadruportal. Fac excepie cadrele cu deschideri peste 40 m sau acelea n cazul crora exist cerineestetice deosebite n ceea ce privete structura. Cu toat puternica diminuare a consumului de oel pemetru ptrat adus de ferme (n special cnd se realizeaz din profile tubulare) preul manoperei deexecuie respectiv al celei de montaj cresc n cazul utilizrii acestui sistem.

n ciuda celor menionate, structurile cu ferme prezint numeroase avantaje, cum ar fi:

Permit acoperirea unor deschideri mari; Asigur posibiliti remarcabile de montare a instalaiilor; Au o capacitate ridicat de preluare a unor ncrcri utile i / sau tehnologice.

n cazul anumitor cldiri, toate aceste caracteristici pot deveni eseniale. Exemplele tipice n acestsens includ industria automobilelor, aeronautica, sau atelierele pentru prelucrri grele, unde principalaexigen este realizarea unei trame modulare libere de mari dimensiuni, ceea ce conduce la o naltaflexibilitate, d posibilitatea unei funcionaliti complexe, respectiv disponibilitatea operrii cudispozitive de transport suspendate direct de structura acoperiului.

Un raport de 10 pn la 15 intre deschiderea fermei i nlimea maxim a acesteia conduce la orelaie optim rezistent-rigiditate n cazul acestei structuri. Pentru deschideri de peste 20 m se poate



6/36

introduce la realizarea fermei o contra-sageat, care are rolul de a compensa deformaiile datorateaciunii ncrcrilor permanente.

Cum nlimea maxim a unei ferme cu deschidere de pn la 50 m poate ajunge la 5 m, ceea ceconduce la mrirea artificiala a nlimii cldirii, din raiunea de a include elementele structurale dinzona fermei sub acoperiul cldirii, cu rol exclusiv de protecie la intemperii. n concluzie, trebuie

subliniat faptul c modul tradiional de proiectare al cldirilor de acest tip abord separat structura sirespectiv elementele de nchidere. Exist ins, in mod evident, o conlucrare intre structur si nchidere, care luat in considerare permite proiectare mai economic a acestor construcii.

1.3 Soluii de nchideri

n ultimii 10-15 ani, piaa produselor din tabl cutat de oel a nregistrat o cretere fr egal. Aceastimens popularitate a nveliurilor de protecie contra intemperiilor realizate pe baza de table cutatedin oel (Fig. 1.4), cu aplicaii att la cldiri cu scop industrial ct i la cele cu alte destinaii sedatoreaz mai multor factori care se vor evidenia in continuare.

a) tabl pentru acoperi(t=0.45-1.0mm)

b) tabl pentru perei(t=0.45-0.7mm)

c) tabl pentru panee(t=0.6-1.5mm)

Figura 1.4Tipuri de tabl cutat utilizat pentru construcia halelor metalice

n perioada de timp menionat s-a manifestat o tendin general de utilizare a structurilor cudeschideri libere mari i cu durate scurte de execuie. Acest stil de a construi impune acoperirearapid a structurii pentru a permite desfurarea celorlalte faze ale lucrrii la adpost de intemperii.Pn i utilizarea culorilor de finisaj extern a devenit important la ora actual, iar investitorii ncearcs realizeze cldiri cu identitate proprie i bine conturat din acest punct de vedere. nvelitorilerealizate din tabl cutat sunt capabile s satisfac toate aceste cerine. Totui succesul acestuiprodus nu ar fi fost posibil dac el nu ar fi att de accesibil i la un pre competitiv. n cadrul analizei structurii costurilor unei cldiri industriale parter tipice (prezentat sub forma dediagram sectorial n figura de mai jos), elementele de acoperire i nchidere, inclusiv izolaia termici elementele de fixare dein circa 30% din preul final al construciei. Acest procentaj, nsumat cu cele15% pe care le reprezint costul structurii de rezisten, conduce la un procentaj dominant alelementelor din oel in cadrul costului global al cldirii. Aceste costuri sunt ,in mod evident, doar aproximative si pot sa varieze ca urmare a interveniei diverilor factori printre care cei mai importanisunt calitatea proiectrii, amplasamentul construciei si cerinele din tem.

Ansamblul furniturii pe partea de construcie impune in general tehnologia de execuie iar preulacesteia reprezint circa jumtate din costul final, cealalt jumtate fiind reprezentat de alte elemente(Figura 1.5). Egalitatea nu este ns respectata ntotdeauna, iar anumite modificri de tem pot



7/36

disimula uneori costurile reale ale construciei.

Normele de calitate trebuiesc ntotdeauna respectate, n special n ceea ce privete nvelitoarea i nchiderile, deoarece un sistem de nchidere bine conceput i executat poate prezenta elementebenefice pentru exploatarea ulterioar a cldirii. nvelitoarea i nchiderile trebuie s ndeplineascanumite cerine de baz eseniale pentru cldire. Aceste cerine includ rezistena la intemperii,

rezistena propriu-zis a elementelor de nchidere, sigurana n exploatare i desigur izolarea termici acustic. Au fost enumerai doar unii dintre parametrii care trebuiesc respectai, ns existanumeroi alii. Nendeplinirea cerinelor legate de un singur parametru poate face cldirea respectivnefuncional sau n orice caz poate obliga la remedieri costisitoare.

LEGENDA: Fundaii = 4% Costuri preliminare = 10% nchideri = 30% Ferestre, pori, =5% Pardoseli i finisaje = 9% Costuri auxiliare = 27% Structura de rezisten din oel = 15%

Figura 1.5 Costuri ealonate ale unei hale metalice

Sistemele moderne de nvelitori si nchideri au devenit extrem de sofisticate n anumite cazuri, ncercnd s satisfac o gam ntreag de cerine funcionale. Uneori, factorii care impun

performanele acestor sisteme pot influenta preul de cost, ceea ce nu nseamn ins c sistemelemai scumpe ar putea rspundetuturor cerinelor in aceeai msura. Pana la un anumit punct, fiecaresistem poate i trebuie s fie conceput pentru a rspunde funciunii cldirii respective.

Sistemul cel mai frecvent utilizat actualmente i considerat ca sistem etalon n industrie este sistemulde nchidere cu dublu strat de tabl cutat (Figura 1.6). Att din punct de vedere al performanelor cti al costului, acest sistem constituie o soluie eficient pentru o cldire parter "tipic" avnd nvelitoarea i nchiderile realizate pe baz de tabl cutat din otel. S-ar putea chiar spune ca toatecelelalte sisteme disponibile la ora actual deriv din acest sistem. fiind realizate de obicei pentru asatisface cerine particulare de cele mai diverse naturi. n ultimul timp au fost fcute progrese n sensulameliorrii performanelor structurale ale elementelor de nchidere, ale rezistenei rosturilor acestora laagenii atmosferici, al metodelor alternative de izolaie i de finisaj. Aceste perfecionri au contribuit lacreterea eficienei economice a produselor respective, mai ales n ceea ce privete costurile

operaiunilor de execuie pe antier.



8/36

a) b)

Figura 1.6- Structura nchiderilor dublu strat a) acoperi; b) perete

Este binecunoscut faptul c eliminarea tehnologiilor de execuie care implic tieri pe antier (generatoare de deeuri), respectiv a detaliilor pretenioase din punct de vedere al preciziei, potameliora n mod semnificativ eficiena global a unui produs. innd cont de aceste considerente, cai de viteza de montaj realizat, , rezult clar c soluia descris este cea ideala pentru ndeplinireaunor cerine specifice. nvelitorile respectiv nchiderile din tabl cutat de oel au reuit s ating la oraactual toate performanele descrise mai sus.

Figura 1.7- Profile de oel utilizate pentru rigle de perete i pane de acoperi

Tehnologiile moderne de producie, utilajele sofisticate ca i materialele cu caracteristici tehniceavansate au permis productorilor industriali obinerea gamei largi de profile (Figura 1.7) disponibileastzi, utilizate n special pentru pane de acoperi i rigle de perete, acestea din urm constituindstructura secundar a unei hale metalice. Oferta pare nelimitat mai ales dac se ine cont de faptulc se produc profile i table profilate cu dimensiuni ale seciunii transversale, respectiv cu lungimi totmai mari.

Aproape toate ntreprinderile specializate produc vat mineral cu lungime astfel dimensionat ncttermoizolaia acoperiului s se poat realiza din fii unice desfurate ntre coam i streain(lungimi de pn la 25 m sunt uzuale). Utilizarea unor asemenea lungimi reduce numrulsuprapunerilor termoizolaiei i deci necesitatea tratrii rosturilor pentru a le face mai rezistente laaciunea agenilor atmosferici. n plus, prin reducerea rosturilor se reduce timpul de montaj i zonelepoteniale de infiltraie a apei.

Unul dintre elementele luate n considerare este limea util a panoului de nchidere respectiv, ca isistemul de etanare prevzut pe latura lung a panoului. Panourile se pot furniza n anumite cazuricu limi de pn la 1200 mm, avnd elementele de etanare deja aplicate din fabric pe laturile lungi,ca detaliu finit.



9/36

Toate aceste caracteristici sunt importante, fiind introduse pe pia n scopul de a oferi soluia optimpentru oricare cerina de tem, respectiv o metod modern de montaj pe antier. Odat cu noileexigente de reducere a consumurilor energetice s-au modificat prevederile normelor conform croraeste necesar sa fie introduse termoizolaii mai scumpe respectiv produse ameliorate. Sistemele de nvelitori-nchideri au fost modificate pentru a rspunde acestor cerine i satisfac astzi noile

normative fiind oferite intr-o gama variata de preuri de cost.

1.4 Cerine impuse de normele romaneti n vigoare

Condiiile specifice de natur climatic i n special cele seismice existente in Romnia impun nscopul satisfacerii condiiilor de siguran i exploatare normal a construciilor, respectarea unor prescripii tehnice i norme de proiectare adecvate. Acestea se refer la:

Condiii de rezisten

Calculul de rezisten al construciilor metalice se face prin metoda strilor limit iar verificrile derezisten ale elementelor structurale se fac n conformitate cu procedurile prescrise de ctre STAS10108 /0-78 [1]. Calculul elementelor din otel Aceste verificri se fac la starea limit ultim grupareafundamental sau respectiv gruparea special, sub aciunea combinaiei de ncrcri celei maidezavantajoase pentru elementul respectiv. Combinaiile de ncrcri vor fi realizate conform STAS10101 /0A-77 [2] Aciuni n construcii. Clasificarea i gruparea aciunilor pentru construcii civile iindustriale".

Condiii de exploatare normal

Verificrile la starea limit a exploatrii normale se fac n conformitate cu specificaiilecorespunztoare din STAS 10108/0-78 Calculul elementelor din otel. Gruprile de ncrcri pentruverificarea la starea limita a exploatrii normale se alctuiesc conform STAS 10101/0A-77, curespectarea limitelor deplasrilor prevzute in STAS 10108/0-78.

Condiii de rigiditateConfigurarea general a structurii, repartiia maselor ct i distribuirea sistemelor de contravntuiriprevzute n perei respectiv n acoperi, se vor face astfel nct:

Perioadele proprii de oscilaie a structurii dup direcia transversal, longitudinal respectivdiagonal s rezulte cu valori apropiate;

Respectarea acestor prevederi permite asigurarea unei rigiditi satisfctoare a structurii, cai un comportament adecvat al acesteia sub aciunea solicitrilor orizontale (vnt, seism,dispozitive de transport interior).

Asigurarea stabilitii generale i configurarea antiseismic

Stabilitatea generala a structurii se asigur prin respectarea prevederilor constructive incluse n STAS10108/0-78, respectiv prin crearea unor sisteme legturi la nivelul structurii i n punctele de rezemarecare s elimine pericolul instabilitii la nivel global.

n structurile metalice formate din bare, contravntuirile joac un rol deosebit n preluarea itransmiterea la reazeme a sarcinilor orizontale cu rol destabilizator. Proiectantul structurii de rezistenva distribui sistemele de contravntuiri n aa fel nct ele sa asigure stabilizarea structurii i n acelaitimp s rspund cerinelor arhitecturale.

Tipul de contravntuire utilizat n cazul halelor metalice construite la noi n ar este contravntuirea nX (Figura 1.8) lucrnd exclusiv la ntindere. Se recomand prevederea ntinztoarelor, pentrucompensarea abaterilor dimensionale realizate la montajul structurii de rezisten.



10/36

Figura 1.8- Structura tipic a unei hale metalice cu contravntuiri n X

Configurarea antiseismic a elementelor structurii de rezisten precum i a ansamblului acesteia seface n conformitate cu prevederile normativului P 100 92 [3]Aceste prevederi se refer la:

a)Asigurarea caracterului dispativ al structurii prin:

Asigurarea ductilitii seciunilor transversale (se lucreaz cu seciuni transversale de Clasa 1sau 2 (eventual 3), in conformitate cu prevederile normei europene Eurocode3 [4], preluate deNormativul P 100-92);

Asigurarea ductilitii mbinrilor cu uruburi; Asigurarea ductilitii mbinrilor intre bazele stlpilor i sistemul de fundare (n special n ceea

ce privete buloanele de ancoraj)

b) Limitarea deplasrii orizontale de nivel la H/100, cu condiia ca elementele structurii s nu fieafectate de deplasrile respective (unde prin H s-a notat nlimea la streaina a halelor cu un singur nivel)

c) Limitarea zvelteilor stlpilor n aa fel nct ca acetia s corespund principiilor constructiveaferente unei structuri disipative:

0 7. e (1.1)unde :

ey

Ef

= (1.2)

Astfel, pentru otelul marca OL 37 se obine e = 94 i n consecina condiia (1) devine:

8,

65 (1.3)

ceea ce conduce in mod evident la stlpi metalici masivi.

d) Respectarea unor prevederi speciale referitoare la ductilitatea sistemelor de contravntuiri, mai ales n cazul halelor industriale grele (cu poduri rulante masive sau adpostind procese tehnologice grele);

e) n cazul structurilor din elemente cu seciunea transversal de Clasa 3 sau de Clasa 4 (nconformitate cu Normativul P100-92), fora tietoare de baz utilizata n cadrul verificrii la gruparea

special de ncrcri coninnd solicitarea seismic, se va determina cu un coeficient de reducere = 1.



11/36


12/36

atenie. Oricum un mare numr de productori de pe pia asigur informaii suficiente despre propriulsistem de nchidere i n ce msura acesta leag panele de acoperi intre ele.

Cadrele portal cu o singur deschidere sunt proiectate astfel nct articulaiile plastice s se formezein stlp sub mbinare i n rigl n imediata vecintate a coamei, n timp ce vuta s rmn n domeniulelastic. Aceast abordare a fost fcut de Morris i Nakane [6], bazat pe ideea c apariia unei

plasticizri la limita vutei din rigl ar conduce la o instabilitate prematur a cadrului. Oricum experienaa artat c apariia unei plastificri a riglei la terminarea vutei este iminent. Totodat un rol important n ceia ce privete apariia acestei articulaii, l joac i forma stlpului (vutat sau nevutat).

1.6 Stabilitatea stlpului

Stlpii cadrelor metalice portal pot avea diferite seciuni, si anume seciune variabila in lungul barei(vutai, vezi fugura1.10a) sau seciune constanta(figura 1.10b).

a) b)Figura 1.10 Tipuri de stlpi utilizai

Stlpul va fi ales astfel nct rezistena sa la moment ncovoietor si for axial (compresiune) s nu fiedepit, iar momentul maxim aplicat s nu depeasc momentul plastic capabil al seciunii. In modnormal seciunea stlpilor va fi dublu T, care reamintete faptul ca efectul predominant asuprastlpului l are momentul ncovoietor si nu fora axial.

Totodat, tipul de stlp ales la realizarea cadrului se va face i n funcie de modul de prindere alacestuia n fundaie. Astfel pentru o prindere articulata a cadrului in fundaie se va alege un stlp cuseciune variabil n concordan cu starea de eforturi din bar, n timp ce pentru o prindere ncastratasau semirigid se va alege un stlp cu seciune constant. n funcie de tipul de stlp utilizat i mbinarea rigl-stlp va fi diferit: pentru stlpii cu seciune variabil, mbinarea se va realiza la parteasuperioara a stlpului(figura 1.11a), iar pentru stlpii cu seciune constant, mbinarea se va realiza lafaa stlpului(figura 1.11b).

a) b)

Figura 1.11 Tipuri de mbinare rigl-stlp

Stabilitatea laterala a cadrului va fi asigurata i n acest caz de riglele de perete, care vor fi fixate detalpa exterioar a stlpului.



13/36

2. STUDIUL STABILITATII CADRELOR METALICE PORTAL

2.1 Instabilitatea n planul cadrului

Pentru a nelege mai bine conceptul de instabilitate al cadrului n planul su, este nevoie a se avea nvedere dou efecte primare n ceia ce privete comportarea structurii. Primul dintre acestea estereprezentat de efectele de ordinul doi, al doilea fiind considerat cel al instabilitii.

Efectele de ordinul doi

Efectele de ordinul doi, n forma lor simplificat, se datoreaz n primul rnd deplasrii laterale acadrului n planul su. Aceast deplasare va cauza excentriciti ale forelor verticale, care vor genera n cele din urm momente de ordinul doi datorit forei axiale aplicate excentric n elementeleverticale. Aceste momente de ordinul doi n literatura de specialitate sunt cunoscute sub numele deefectele P- (P fora axial aplicat la excentricitatea ) (Figura 2.1). Aceste momente pot avea oimportan ridicat n proiectarea n domeniul plastic a cadrelor metalice portal, n cazurile n careelementele sunt relativ zvelte, rezultatul verificrii lund n considerare aceste momente pot conducela mrirea seciunilor transversale.

P

Figura 2.1Efectele P- asupra cadrelor portal

Dou concepte importante trebuiesc avute n vedere i anume: Efectele P-, se datoreaz nu numai ncrcrilor orizontale,ct i urmtoarelor efecte:

- asimetria structurii;- asimetria ncrcrilor;- lipsa verticalitii stlpilor;

Efectele P- nu cauzeaz neaprat instabilitatea cadrului. Ceia ce este necesar n acest caz,este o metod pentru a determina dac efectele P- sunt importante sau nu, i daca acesteavor cauza instabilitatea cadrului.

Instabilitatea

Conceptul de instabilitate poate fi foarte bine neles, prin considerarea unei console verticale ncrcate cu o for axial (Figura 2.2)

P

Figura 2.2Instabilitatea unei console verticale



14/36

La fore axiale relativ reduse i/sau zveltei mici ale consolei, orice for disturbatoare va cauzadeformarea consolei cu o valoare finit, iar n momentul n care aceast perturbaie este ndeprtat,consola va reveni la forma ei iniial. La valori ridicate ale forei axiale , chiar i cea mai mic fordisturbatoare, va cauza deformarea incontrolabil a barei, datorit efectelor de ordinul doi. Fora carecauzeaz instabilitate, este cunoscut sub numele de for elastic critic, iar raportul dintre aceasta

i fora de exploatare care acioneaz asupra barei este demunit factorul elastic critic, cr :

e

cr cr F

F =

n normele n vigoare este specificat c o valoare 10>cr nseamn c efectele de ordinul II suntnesemnificante i pot fi neglijate.

O valoare 6.4


15/36

L

HvarHxL

L

HconHxL

(a) stlp variabil (var) (b) stlp constant (con)Figura. 2.4:Tipuri de cadre portal

Cadrele notate var, au stlpi cu seciune variabil de Clas 1 pn la Clas 3, iar cele notate conau stlpi cu seciune constant de Clas 1. Seciunea riglelor este de Clas 1 pan la Clas 3.Dimensiunile principale ale cadrelor sunt prezentate n Tabelul 2.1. Oelul utilizat este S235.

Analizele efectuate sunt: 3D static elasto-plastic i 3D de flambaj. Analizele spaiale au fostefectuate cu programul ANSYS v5.4 iar elementele au fost modelate cu elemente de tip SHELL43plastice. Comportarea materialului a fost considerate elastica-perfect plastica. In analizele 3D, au fostconsiderate blocaje laterale ale riglei introduse de pane [1]. Blocajele laterale sunt de 4 tipuri ( Figura1) i anume: tipul 1 fr blocaje laterale, tipul 2 blocarea deplasrii laterale, tipul 3 blocareadeplasrii laterale ct i a rotirii, tipul 4 blocarea deplasrii laterale dar i a deplasrii laterale a tlpiicomprimate (n punctele n care se dispun contrafie).

(a) tip 1 (b) tip 2 (c) tip 3 (d) tip 4Figura 2.5:Tipuri de blocaje laterale

Tabelul 2.1:Dimensiuni principale

Nr. CodeTipcadru

LxHPrindereala baza

Rigla

Stlpconstanta variabila

1 1C-1 var 12x4.8 pin 10% h=270b=135tf =10tw=5

h=270...600b=135tf =10tw=6

h=240...600b=180tf =12tw=8

2 1C-1 var 12x4.8 sem 10%3 1C-2 var 12x4.8 pin 20%4 1C-2 var 12x4.8 sem 20%5 3C-1 con 12x4.8 sem 10%

h=270b=135tf =10tw=5

h=270...600b=135tf =10tw=6

h=400b=180tf =12tw=8

6 3C-1 con 12x4.8 rig 10%7 3C-2 con 12x4.8 sem 20%8 3C-2 con 12x4.8 rig 20%



16/36

mbinarea rigl-stlp este rigid i este prezentat n Figura 2.4. mbinarea rigla-stlp i prindereastlpului la baz au fost modelate cu elemente de contact.

ncrcrile verticale permanente i din zpad au fost introduse n punctele de rezemare a panelor. Ofor orizontal la coltul cadrului a fost considerat ca 12% din cele verticale. De asemenea n calculau fost considerate i imperfeciuni iniiale de nclinare i ncovoiere.

Calibrarea modelelor

Modelele spaiale au fost calibrate pe baza unor rezultate experimentale, obinute de Halasz i Ivany.Geometria, dimensiunile seciunilor, detaliu de baza a cadrelor testate sunt prezentate n Tabelul 2.1.

2.3 Analiza de stabilitate.

Pentru cadrele portal, deoarece n rigla se dezvolt eforturi axiale semnificate, problema stabilitiieste mult mai complex dect n cazul cadrelor multietajate [4]. Dup cum bine este cunoscut,elementele acestor cadre i pot pierde stabilitatea prin flambaj cu ncovoiere-rsucire. In conformitatecu EC3 (EN 1993-1-1) , elementele cu seciuni de Clas 1 i Clas 2, pentru care flambajul prin ncovoiere-rsucire ar putea fi un mod de cedare, trebuie s verifice:

1/// 1,

,

1,

,

1

++M y z pl

SD z z

M y y pl LT

SD y LT

M y z

sd

f W

M k

f W

M k

Af N

Elementele cu seciuni de Clasa 3 solicitate la compresiune cu ncovoiere, trebuie s verificeurmtoarea relaie:

1/// 1,,

1,

,

1++

M y z el

SD z z

M y yel LT

SD y LT

M y z

sd

f W M k

f W

M k

Af N

Pentru a observa comportarea cadrelor metalice considerate, acestea au fost supuse unor analizeneliniare elasto-plastice, analize realizate cu programul ANSYS. In cadrul acestor analize au fostconsiderate blocaje de tipul 2 (Fig. 2.5). Mecanismul de cedare difer ntre cele dou tipuri de cadre,instabilitatea se produce dup cum urmeaz:flambaj lateral prin ncovoiere-rsucire a riglei , cadrevar, flambaj prin ncovoiere-rsucire a riglei i stlpului n cazul cadrelor de tip con

(a) var (b) conFigura. 2.6:Instabilitatea locala a elementelor

Comparaia intre rezultatele analizelor numerice i prevederilor n prEN1993-1-1 [5] pentru elementede Clasa 3, avnd talpa superioar blocat lateral sun prezentate n tabelul urmtor:



17/36

Tabelul 2.2:Rezultate comparative intre analiza cu MEF si norme

0 0 0

F u

[ k N

]

CadruNr.

Fu [kN]Analiza MEF Norme

1 344 2602 349 2753 394 2854 402 3035 297 1986 313 2087 336 2108 361 227

Rezultatele demonstreaz influenta pe care o au modul de prindere a stlpului la baz i unghiul deacoperi la capacitatea ultim a cadrului.

Comportarea cadrului sub efectul forelor aplicate poate fi studiat i prin intermediul unor analize deflambaj, rezultnd n acelai timp i modul de flambaj al cadrului. Aceste analize au fost fcute cuprogramul Ansys, v.5.4, rezultnd comportamentul spaial al cadrului. In aceste analize au fostconsiderate blocajele laterale din Figura 2.5. Fora critic elastic pentru fiecare caz n parte (tipcadru, tip prindere lateral) sun trasate n Figura 2.7.

0 0 0

0 0 0 0

Figura 2.7: Valorile forelor critice in funcie de tipul de blocaj lateral

S-a observat c modul de flambaj i valorile forelor critice depind de tipul de prindere lateral acadrului. Modurile proprii de flambaj sunt prezentate n Figura 2.8 pentru diferite tipuri de prindere:tipul 1 flambaj lateral al riglei la valori relativ sczute ale forei critice (Figura 2.8 a),tipul 2 flambajprin ncovoiere-rsucire a riglei i stlpului, fora critic crete substanial (Figura 2.8 b);tipul 3 flambaj prin ncovoiere-rsucire a riglei i a stlpului, valoarea forei critice creste de aproximativ treiori fa de cazul precedent (Figura 2.8 c);tipul 4 flambaj prin ncovoiere-rsucire a riglei i stlpului(Figura 2.8 d), lungimea de flambaj a riglei fiind redus datorit unui blocaj lateral suplimentar la talpacomprimat nregistrndu-se o cretere a forei critice fa de cazul 2. S-a observat de asemenea ca



18/36

modul de flambaj este similar pentru cele doua tipuri de cadre (stlp cu seciune constanta sauvariabila).

a) prindere de tip 1 b) prindere de tip 2

c) prindere de tip 3 d) prindere de tip 4Figura 2.8: Forme de flambaj

Din ultimele figuri se poate observa importana blocajelor laterale pentru imbunatatirea rezistena laflambaj a cadrelor.

2.4 Cazuri practice de proiectare

Rezultatele prezentate n paragrafele anterioare se refer la un numr de cadre calibrate, avnddiferite soluii de prindere a stlpului la baz i diferite blocaje laterale. In continuare vor fi analizatecteva cadre parter. Cadrele selectate sunt des ntlnite n proiectarea curent a halelor metalice,avnd stlpi articulai n fundaie, cu seciune variabil, rigle vutate, i un unghi de acoperi de 80(Figura 2.9). Lungimea vutei este de 0.15*L. Dimensiunile i caracteristicile sunt date n Tabelul 2.3.

L

HvarHxLpin

Figura 2.9:Geometria cadrelor analizate



19/36

Tabelul 2.3: Dimensiunile principale ale seciunilor Tip cadru H

[m]L

[m]Dimensiuni h*b*tf *tw [mm]

stlp Vuta-rigla Rigla constanta

var4x18pin 4 18 (350800)*220*12*10 (400800)*200*12*10 400*200*10*8

var4x24pin 4 24 (450900)*280*15*10 (500900)*250*15*12 500*250*12*10var4x30pin 4 30 (5001200)*350*15*12 (5501200)*300*15*12 550*300*15*10var6x18pin 6 18 (350800)*220*12*10 (400800)*200*12*10 400*200*10*8var6x24pin 6 24 (450900)*280*15*10 (500900)*250*15*12 500*250*12*10var6x30pin 6 30 (5001200)*350*15*12 (5501200)*300*15*12 550*300*15*10var8x18pin 8 18 (350800)*220*12*10 (400800)*200*12*10 400*200*10*8var8x24pin 8 24 (450900)*280*15*10 (500900)*250*15*12 500*250*12*10var8x30pin 8 30 (5001200)*350*15*12 (5501200)*300*15*12 550*300*15*10

Cadrele au fost supuse unor analize elasto-palstice 3D cu programul de element finite Ansys v.5.4.Toate cadrele au fost modelate cu elemente de tip shell. In cadrul analizelor au fost aplicate blocajelaterale de tip 2 (vezi Fig. 2.5). Oelul utilizat fiind S235. Din Tabelul 2.3 se poate observa c pentruaceiai deschidere i nlime diferit a cadrului a fost pstrat aceiai seciune de element.

O comparaie ntre rezultatele obinute i normele de proiectare este prezentat n Tabelul 2.4. Seobserva c forele ultime obinute n urma analizelor neliniare el-plastice (mult mai apropiate de cazulreal) sunt superioare celor rezultate aplicnd formulele din norme.

De asemenea crescnd nlimea structurii, fora ultim scade, aceasta poate fi explicat de rolul pecare stlpul l joaca n comportarea global a cadrului.

Mai mult, nici n aceste cazuri nu a fost nregistrat o instabilitate globala, ci una local. Mecanismulde cedare fiind flambaj prin ncovoiere-rsucire a riglei sau a stlpului, depinznd de nlimea cadrului(Figura 2.10).

Tabelul 2.4:Rezultate comparative MEF si Norme

0 0 0

Denumire cadruFu [kN]

AnalizaMEF Norma

var4x18pin 615 418var4x24pin 967 551var4x30pin 1220 720var6x18pin 569 426var6x24pin 836 527var6x30pin 1100 696var8x18pin 544 407var8x24pin 796 523var8x30pin 1050 684



20/36


21/36

3 STUDIUL DUCTILITATII CADRELOR METALICE PORTAL

3.1 Introducere

Structurile sunt proiectate uzual astfel nct o parte din energia nmagazinata n timpul cutremurelor

puternice sa fie disipat prin deformaii inelastice . Pentru prevenirea colapsului structurii, valorileacestor deformaii plastice trebuie limitate n conformitate cu ductilitatea locala i globala a structurii icu capacitatea de disipare a energiei.

n cazul utilizrii metodei la stri limita, proiectarea antiseismic a structurilor poate fi realizat nprezent prin intermediul a dou metode de analiz structural. Prima metod folosete analizadinamic neliniar care poate furniza cu un grad suficient de acuratee rspunsul n timp al structurii laaciunea unor cutremure. Cea de-a doua metoda se bazeaz pe analiza modala n domeniul elasticutiliznd un spectru de proiectare, care furnizeaz, funcie de perioada T, pseudo-spectrul normalizatal acceleraiei, necesar pentru un anumit nivel al rspunsului inelastic Aceste spectre inelastice seobin n normele de proiectare antiseismic modificnd spectrul de rspuns elastic de proiectare prinintermediul factorului q, care ia n considerare capacitatea structurii de disipare a energiei.

Evaluarea corect a factorului q, care poate fi definit ca raportul dintre valoarea acceleraiei careconduce la cedarea structurii i valoarea acceleraiei corespunztoare formrii primei articulaiiplastice, necesit realizarea unor analize dinamice pentru diferite tipuri de miscri seismice.Performanele globale seismice ale cadrelor metalice portal pot fi evaluate printr-o analiz neliniarinelastic de tip pushover. Pentru analiza neliniar pushover, cadrele sunt ncrcate cu o fororizontal cresctoare (Figura 3.1), acesta deformndu-se lateral n funcie de magnitudinea foreiaplicate.

H

F2

FFFF2

F2F

FFFFF2

H

H

H

Figura 3.1- Analiza inelastic Pushover

Sub aciunea forei orizontale, structura se comport elastic pn la apariia primei articulaii plasticecorespunztor factorului de amplificare e, dup care structura se comport inelastic pn la colapsulacesteia.

3.2 Cadrele studiate i metodele de analiz

Au fost studiate patru cadre, avnd aceiai deschidere i nlime, dar dou pante diferite. Toatecadrele au rigle vutat i stlpi cu seciune constant sau variabil. Mai multe detalii sunt prezentate nTabelul 2.1.

Cazul 1C corespunde stlpilor cu seciune variabil cuprins ntre Clasa 1 i Clasa 3. 3C reprezintcazul cu stlpi constani de Clas 1. Riglele au seciuni intre Clasa 1 i 3 n toate cazurile. Otelulutilizat este S235.

Analizele efectuate sunt urmtoarele: analiz 2D static elasto-plastic, analiz 2D neliniar time-

history, analiz 3D static elasto-plastic. Analizele 2D au fost realizate cu programul Drain 3DX, iar analizele 3D cu programul de elemente finite ANSYS. In cazul programului Drain 3DX, cadrele au fostmodelate cu elemente de tip fibr, iar n cadrul analizelor n ANSYS, au fost utilizate elemente



22/36

SHELL43. In ambele analize a fost considerat un material avnd un comportament biliniar elasto-plastic. In analizele 3D, au fost considerate blocaje laterale ale riglei datorate panelor [1]. Blocajelelaterale sunt de 4 tipuri ( Figura 2.5) i anume: tipul 1 fr blocaje laterale, tipul 2 blocareadeplasrii laterale, tipul 3 blocarea deplasrii laterale ct i a rotirii, tipul 4 blocarea deplasriilaterale dar i a deplasrii laterale a tlpii comprimate (n punctele n care se dispun contrafie).

mbinarea rigla-stlp este rigida conform Figurii 2.4. Pentru analizele 2D capacitatea i rigiditatea larotire a mbinrii rigl-stlp ct i prinderea stlpului la baz au fost evaluate n conformitatea cumetoda componentelor din EN 1993-1-8 [2]. In cadrul analizelor 3D mbinarea rigl-stlp i prindereastlpului la baz a fost modelat utiliznd elemente de contact.

Figura 3.2Seciune dublu T modelata cu elemente de fibra

Modelarea cu elemente de tip fibr a unei seciuni dublu T este prezentat n Figura 3.2. Seciuneaelementului a fost mprit ntr-un numr de fii, concentrnd proprietile fiecrei fii n centru eide greutate.

3.3 Ductilitatea cadrelor portal

Metoda spectrului de capacitate

Metoda spectrului de capacitate compar capacitatea efectiv a structurii cu cerina de capacitateindus de micarea seismic. Relaia ntre capacitatea efectiv i cea necesara poate fi reprezentatutiliznd dou metode: (1) un rspuns spectral liniar-elastic cu o amortizare ridicat; (2) rspunsspectral inelastic. Cum s-a putut observa i din paragraful anterior, cadrele metalice portal suntcaracterizate printr-o clas de ductilitate redus spre medie, fiind recomandat prima metod. Inconsecin, capacitatea spectral necesar a structurii, ca efect a micrii seismice, poate fi construitprin trasarea spectrului acceleraie, linear elastic , Sa, pentru un sistem cu un singur grad de libertateraportat la spectrul deplasrilor, Sd, pentru o valoare dat a amortizrii vscoase, . Acesta se va trasautiliznd formula:

2

24T S

S

d

a



23/36

4 4

4 4

4 4

4 4

4 4

a [ g ]

Figura 3.3Spectrul de capacitate

Fora lateral i capacitatea de deplasare a structurii vor fi reprezentate utiliznd relaia for-deplasare global (F-) obinut n urma unei analize neliniare de tip pushover. Presupunnd crspunsul seismic global al structurii este dat de primul mod fundamental de vibraie, curba pushover poate fi convertit ntr-o relaie acceleraie-deplasare idealizat (a*-*), corespunztoare unui sistemcu un singur grad de libertate, dup cum urmeaz:

=

= *

** ,

m F

a

unde m* reprezint masa unui sistem echivalent cu un singur grad de libertate, iar este factorul departicipare global [4]. Relaia a*-* (curba de capacitate) este trasat mpreun cu spectrul Sa-Sd,pentru o valoare a amortizrii vscoase =5%, n Figura 3.3. Punctele de intersecie ale celor doucurbe reprezint acceleraia i deplasarea necesar unei proiectri antiseismice. Aceste valoricorespunztoare deplasrii, vor fi luate n considerare n continuare pentru a stabilii starea limit astructurii.

Performane seismice, factorul q

Performanele seismice globale a cadrelor au fost evaluate utiliznd o analiz static neliniar,echivalent (analiza push-over) i o analiz neliniar time-history. Analizele push-over au fost realizatepe cadre spaiale, analize n cadrul crora au fost simulate, individual, toate cele patru tipuri de blocajelaterale (vezi Figura 2.5). Fora seismic fiind evaluat n conformitate cu prevederile EC8. In cazulanalizelor neliniare time-history, a fost utilizat accelerograma unui seism.

In conformitate cu prima metoda, factorii q, calculai utiliznd equatia de mai jos, sunt trecui n Figura3.4.

( )[ ]''1 +=

cr y

uq

unde:

5.0',1' = T

T - este perioada fundamental de vibraie;cr - este factorul critic elastic de multiplicare a forelor gravitaionale (cr =Vcr /V);u - factorul de multiplicare a forelor orizontale corespunztoare colapsului structurii;



24/36


25/36

el

uq

=

4 4

4 4

0

q f a c

t o r

Figura 3.6Comparaie factorul q Ansys-Drain 3DX

Din Figura 3.7, putem observa c valorile obinute din analiza dinamic sunt de nivelul celor dinanaliza neliniar static, n care a fost simulat tipul de prindere 4, ns valorile sunt ceva mai mici.

3.4 Cazuri practice de proiectare

Rezultatele prezentate pana in momentul de fata s-au referit la un numr de cadre calibrate pe baza

unor teste de laborator. Acestea fiind alese ca fiind oarecum echivalente cu cadrele testate, pstrndaceiai deschidere, inaltime si panta a acoperiului. In continuare vor fi prezentate rezultatele obinutepentru un numr de cadre utilizate in proiectarea curenta (Figura 2.9). Acestea au deschideri diferiteinaltimi diferite si panta acoperiului de 8o. Toate cadrele au stlpii cu seciune variabila, iar riglelecadrului sunt vutate pe o lungime 0.15L, mbinarea rigla stlp fiind considerata rigida, rigla prinzndu-se pe capul stlpului. Prinderea in fundaie a acestor tipuri de cadre s-a considerat a fi articulata(Figura 3.7). Proiectarea acestora s-a realizat tinandu-se cont de ipotezele de ncrcare permanenta sizpada (ipoteze care conduc la combinaia cea mai defavorabila), rezultnd in final seciunileprezentate in Tabelul 2.3.

Figura 3.7. Prinderea articulate a stalpului la baza

Pentru determinarea incarcarilor aferente ipotezelor de calcul au fost considerate urmtoarele cazuri

de ncrcare: ncrcare permanenta gp=1.5 kN/m



26/36

ncrcare din zpada gz=7.2 kN/m (Bucureti)

Combinaia de ncrcare folosita a fost: z z n P n P +

unde

coeficientul parial de sigurana n=1.1 coeficientul parial de sigurana nz=2.1

Performane seismice, factorul q

Pentru determinarea factorilor care intra in ec. (3) au fost realizate:analize pushover plane(determinarea factorilor u si y, cat si pentru identificarea poziiei articulaiilor plastice punctuale inacest caz), analize modale (pentru identificarea perioadelor corespunztoare primului mod deoscilaie),analize elastice de flambaj spaiale ( pentru determinarea factorului critic de flambaj c).

Analizele plane s-au realizat cu programul Sap2000 , care opereaz numai cu elemente de tip bar,iar analizele 3D au fost realizate cu programul de elemente finite ANSYS, n cadrul cruiadiscretizarea cadrelor s-a realizat cu ajutorul elementelor de tip shell. In ambele analize s-aconsiderat un comportament bilinear, elastic-perfect plastic, al materialului. S-a utilizat OL37 (S235),cu limita de curgere f y=235 N/mm2. In cazul analizei 3D, deplasrile laterale ale riglelor si stlpilor cadrului s-au considerat blocate la talpa exterioara a elementului de ctre de riglele de perete, panelede acoperi i contrafie la talpa inferioara n unele cazuri. S-au simulat patru tipuri de blocaje laterale.(Figura 2.5)

Rezultatele analizelor prezentate anterior sunt trecute in tabelul 3.1:

Tabelul 3.1:Rezultatele analizelor Tip cadru Fe

[kN]Fu

[kN]T

[sec] cr

prindere 1 prindere 2 prindere 3 prindere 4var4x18pin 169.50 175.04 0.47 0.53 0.51 4.34 11.20 8.69var4x24pin 317.96 350.71 0.37 0.63 0.67 3.50 10.07 8.51var4x30pin 480.58 501.03 0.35 0.65 0.12 3.71 10.99 7.83var6x18pin 107.60 115.70 0.65 0.50 0.54 4.21 10.80 8.96var6x24pin 203.19 219.83 0.58 0.50 0.18 4.68 10.50 8.83var6x30pin 309.89 334.66 0.54 0.50 0.11 3.37 8.41 6.70var8x18pin 75.60 86.10 0.93 0.50 0.53 4.02 8.26 6.00var8x24pin 148.01 163.47 0.81 0.50 0.12 2.77 7.18 5.54var8x30pin 224.21 249.54 0.75 0.50 0.11 2.66 6.58 5.42

Factorii q calculai conform Eq (3), utiliznd valorile din Tabelul 3.1 sunt prezentai in figura 3.8, pentrufiecare tip de cadru in parte.



27/36

t o r u

l q

Figura 3.8Factori de reducere a incarcarii seismice



28/36

4. COMPORTAREA IMBINARILOR CADRELOR METALICE PORTAL

4.1. Introducere

Halele industriale moderne au structura de rezistenta realizata din cadre metalice portal avnd seciunizvelte de clasa 3 i 4. Elementele structurale au seciune variabila in concordan cu starea de eforturidin elementele componente.Deoarece in rigla se dezvolta forte axiale de compresiune semnificative, problema stabilitii este multmai complexa dect n cazul structurilor multietajate. Daca nu sunt prevzute blocaje laterale,rezistenta la flambaj lateral prin ncovoiere rsucire este n general sczut. Panele de acoperi iriglele de perete n conlucrare cu nvelitoare introduc un efect de blocare lateral, dar care este destulde dificil cuantificabil pentru proiectarea curent.

mbinarea rigla-stlp la structurile mai sus amintite se realizeaz n general cu placa de capt extins,pe capul stlpului (Figura 4.1).

L

HvarHxLpin

Figura 4.1. mbinare tipica rigla-stlpNormele de proiectare din Romnia trateaz doar verificarea uruburilor solicitate la diferite eforturi(axial, forfecare, ncovoiere, combinaii ale acestora), astfel proiectarea unei mbinri se rezum doar la verificarea uruburilor i anume:verificarea la ntindere in tija urubului, verificarea la presiune pegaura si verificarea la forfecare . Ins pentru verificarea mbinrii ca un ansamblu acest lucru nu estesuficient, astfel trebuiesc avute n vedere si elemente care intra in componenta mbinrii: inima itlpile riglei, inima i tlpile stlpului, placa de capt. Cele prezentate mai sus nu se refera doar la mbinrile rigla-stlp a cadrelor metalice portal, ci la toate mbinrile realizate cu uruburi. Deasemenea n analiza global a structurii este foarte important i rigiditatea iniial a mbinrii, pentrua determina eforturile interne realiste, care pot diferi semnificativ n cazul unor mbinri semi-rigide.

In cadrul programului de cercetare au fost selectate un numr de mbinri, dimensionate nconformitate cu metoda componentelor din EN 1993-1.8, iar n final aceleai mbinri au fost analizatecu metoda elementelor finite. Rezultate obinute vor fi comparate i de asemenea vor fi fcute ctevacomentarii legate de modul de comportare a acestor tipuri de mbinri.

4.2. Metoda componentelor - generaliti

Metoda componentelor poate fi prezentat ca o aplicaie a binecunoscutei metode a elementelor finitepentru calcularea mbinrilor structurale. Ca o caracteristica a metodei, nodul este considerat ca un totunitar, i este studiat n consecin. Originalitatea metodei componentelor const n a considera orice mbinare ca un set de componente individuale. In cazul particular al cadrelor metalice portal(mbinare cu placa de capt extins, supus la moment ncovoietor i for axiala) componentelerelevante sunt urmtoarele (vezi Figura 4.2):

Inima stlpului la tensiune;



29/36

Placa de capt a stlpului la ncovoiere; Talpa stlpului la compresiune; Inima riglei la compresiune; Inima riglei la tensiune; Placa de capt a riglei la ncovoiere; Rigidizrile de pe rigla la compresiune; Panoul de inima al riglei la forfecare; Rndul de uruburi din stnga la tensiune.

M

N

N

M

Figura 4.2. Identificarea componentelor

Fiecare din componentele prezentate anterior posed o rezisten i o rigiditate la compresiune,tensiune i forfecare. Coexistena ctorva componente n cadrul aceluiai nod (spre exemplu n cazulde fa panoul de inim al riglei, care este solicitat n acelai timp la compresiune, tensiune iforfecare) poate conduce la interaciunea eforturilor rezultnd n final o scdere a rezistentei irigiditii pentru fiecare componenta n parte.

Aplicarea metodei componentelor const n mai muli pai i anume:

a) identificarea componentelor pentru mbinarea aleas;b) evaluarea rezistentei i/sau a rigiditii fiecrei componente n parte (rigiditate iniial,

rezisten de calcul);

c) asamblarea componentelor n vederea determinrii rezistentei i/sau a rigiditii pentru ntreaga mbinare.

4.3. mbinrile studiate i metodele de analiza

Pentru analiza au fost selectate un numr 3 mbinri. Diferena dintre mbinrile selectate este data declasa seciunii elementelor componente dup cum urmeaz:J2-3 (stlp si rigla cu tlpi de clasa 2 si

inima de clasa 3); J2-4 (stlp si rigla cu tlpi de clasa 2 si inima de clasa 4); J3-4 (stlp si rigla cu tlpi de clasa 3 si inima de clasa 4). mbinarea a fost extrasa dintr-un cadru avnd deschiderea de 18 m i nlimea de 4 m, dimensionat lund n calcul ncrcrile aferente zonei Bucureti i au fost



30/36

configurate astfel nct rezistena i rigiditatea cadrului s rmn aproximativ la acelai nivel.Dimensiunile mbinrilor rezultate sunt trecute n Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1.Dimensiunile mbinrilor analizate.Denumire mbinare Stlp Rigla Configuraie mbinare

J2-3 650*240*15*8 650*200*12*8

J2-4 700*240*16*6 700*200*12*6

J3-4 700*280*12*6 700*230*10*6

uruburile utilizate pentru realizarea mbinrilor sunt M20 gr 10.9, utiliznd 8 rnduri de uruburi ncazul mbinrilor J2-3 i 9 rnduri n cazul mbinrilor J2-4, respectiv J3-4. Placa de capt utilizatpentru realizarea mbinrilor are grosimea tp=20 mm n toate cazurile.

mbinrile au fost verificate n conformitate cu metoda componentelor, rezultnd n final capacitateaportant a mbinrii, inndu-se cont de influenta diferitelor componente. De asemenea au fostanalizate i prin intermediul unor analize elasto-plastice cu MEF, utiliznd pentru discretizare elementede tip shell, iar intre plcile de capt au fost utilizate elemente de contact (Figura 4.3).

Figura 4.3.Discretizarea mbinrilor pentru analiza MEF



31/36

Materialul utilizat att la verificarea cu metoda componentelor ct i n cadrul analizelor numerice cuelement finit este S355 (OL52). In cazul analizelor neliniare elasto-plastice, a fost utilizat ocomportare biliniar a materialului, avnd limita de curgere de 355 N/mm2 (Figura 4.4). Nodurile aufost ncrcate static cu o fora verticala concentrata, la distanta de 2020 mm fata de axa stlpului.

Figura 4.4.Curba de material (-) S355

4.4. Rezultatele analizelor

Dupa cum a fost descris si in paragraful precedent, mbinrile au fost analizate prin doua metode sianume: metoda componentelor si analiza neliniara elasto-plastica . Rezultatele obinute in urmaanalizrii nodurilor prin intermediul metodei componentelor din EN 1993-1.8, sunt trecute in Tabelul 2.

Tabelul 4.2. Rezultate metoda componentelor Denumire mbinare

Mpl,Rd[kNm]

, pl Rd Rd

M F

b=

[kN]

Rigiditateiniial

S j.ini[kNm]Clasificare Greutate mbinare [kg]

J2-3 524 259 64497.7 Semi-rigid 350.2J2-4 485 240 46564.9 Semi-rigid 330.5J3-4 491 243 48731.2 Semi-rigid 336.6

Din tabelul anterior se poate observa in toate cazurile mbinrile au un comportament semi-rigid, faptcare ar trebui avut in vedere n analiza structurala, in ideea obinerii unor eforturi i deplasri reale nstructura. De asemenea placa de capt la ncovoiere este componenta slab a mbinrilor alese,component care influeneaz capacitatea portanta finala a mbinrii.

In urma analizelor neliniare elasto plastice au fost trasate curbele de comportament corespunztoarefiecrei mbinri, (for-deplasare), vezi Figura 4.5. In Tabelul 4.3 sunt trecute valorile forelor ultime ielastice corespunztoare fiecrei mbinare n parte, cat i raportul dintre aceste dou.

Figura 4.5 reprezint foarte bine comportamentul mbinrilor sub efectul ncrcrilor aplicate static, itotodat scoate n eviden capacitile ultime i plastice ale mbinrilor considerate. Capacitileultime sunt ceva mai mari dect cele obinute n urma verificrii cu metoda componentelor.



32/36

0 0 0

F o r t a [ k

N ]

Figura 4.5.Curba neliniar F-dTabelul 4.3. Rezultate analiza neliniar

Denumire mbinare

Fel[kN]

Fu[kN]

u

el

F F

J2-3 274 502 1.83J2-4 274 473 1.73J3-4 323 455 1.41

S-a observat ca n toate cele trei cazuri, nainte de cedarea mbinrii, apare o cedare prematur ariglei cadrului (vezi Figura 4.6). Acest lucru este satisfctor, deoarece n cazul de fa nu trebuie sane punem problema cedrii unei componente a mbinrii, ceia ce conduce la concluzia ca mbinarea afost corect detaliat i dimensionata.

mbinare J2-3 mbinare J2-4

mbinare J3-4Figura 4.6.Moduri de cedare



33/36

4.5 Teste experimentale

Pornind de la rezultatele obinute anterior si utiliznd acealeasi mbinri, este in curs de realizare unset de teste experimentale care sa intareasca rezultatele obinute in urma analizelor efectuate. Testeleexperimentale se vor realiza (specimenele pentru ncercare existnd deja) incinta Laboratoruluidepartamentului de Construcii Metalice si Mecanica Construciilor al Universitatii Politehnica din

Timioara. Standul experimental este prezentat in figura urmtoare.



34/36

5. CONCLUZII

Industria construciilor metalice aflndu-se intr-o reala ascensiune, cererea mare de pe piaa de halemetalice, cat si lipsa unor prescripii de proiectare, din normele de calcul romaneti au condus la nceperea unei activitati de cercetare in domeniu la Departamentul de Construcii Metalice si MecanicaConstruciilor din cadrul Universitatii Politehnica din Timioara.

Cadrele metalice portal, utilizate in mare masura la realizarea halelor industriale, sunt realizate dinplaci zvelte prin sudare. Proiectarea cadrelor metalice parter implic forme i detalii structurale diferitede cele utilizate pentru alte tipuri de structuri. Ca rezultat, modul de calcul pentru dimensionareaacestor cadre difer de cel ntlnit n proiectarea uzual a celorlalte tipuri de structuri. Elementelecadrului au sectiuni variabile in concordanta cu distributia momentului de incovoiere in lungulelementului. Pentru aceste tipuri de structuri, calculul plastic nefiind foarte eficient datorita sectiunilor zvelte de clasa 3 si 4. Daca nu se prevad legaturi inafara planului cadrului rezistenta acestuia laflambaj prin incovoiere rasucire este in general scazuta. Panele de acoperis si riglele de perete pecare reazema acoperisul si peretii din tabla cutata introduc un efect de rigiditate inafara planului, insaeste dificil de a cuantifica aceasta valoare a rigiditatii pentru proiectarea ulterioara a cadrului. De faptnormele de calcul nu iau in considerare acest efect. Exista insa recomandari pentru proiectareaacestor tipuri de cadre cu elemente variabile, dar fara a considera efectul benefic al riglelor de peretesi panelor de acoperis.In ntreg ansamblul cadrului un rol major este jucat de mbinrile dintre elemente cat si de modul deprindere a stlpului in fundaie. Acesta din urma, daca nu este detaliat corespunztor, genereazeforturi suplimentare in fundaie care conduc la o dimensionare ne-economica a fundaiilor. Daca inmomentul de fata, muli proiectani de structuri, limiteaz verificarea mbinrilor la efortul maxim de ntindere in urub, acest lucru s-a dovedit a fi incorect deoarece in comportarea globala a mbinrii unrol major l joaca si celelalte elemente componente cum ar fi: placa de capt, existenta rigidizrilor,panoul de inima, dar si tlpile elementelor componente.

Rezultatul acestui studiu a scos n eviden eficiena prinderii laterale a cadrului, realizat n practicprin panele de acoperi, riglele de perete i a contrafielor, n ce privete stabilitatea global acadrelor portal. Acestea mpiedic pierderea stabilitii laterale, care ar putea afecta comportamentul ntregului cadru.Modul de cedare nregistrat este flambaj prin ncovoiere-rsucire a riglei sau a stlpului. Pentru a mbuntii capacitatea portant a cadrului, ar trebui prevzute contrafie la talpa comprimat a riglei.

Cedarea generala a structurii nu a aprut in nici unul din cazuri, sub ncrcri statice, chiar dac aufost nregistrate deplasri mari. In acest caz, starea limit ultim ar putea fi exprimat fie prin raportulde plasticizare al seciunilor, sau prin limitarea deplasrii verticale inelastice.

In ce privete capacitatea de disipare, rezultatele scot n evidenta rolul jucat de modul de prindere alstlpului la baz n comportarea seismic a cadrului. Dup cum este si normal, prinderea rigida acadrului la baza, confer o mai buna capacitate de disipare. Capacitatea de disipare este deasemenea influentata si de tipul de blocaj lateral, o mai buna legare laterala a cadrului conduce la ocapacitate de disipare mai mare.Valorile factorului q obinute in cazul tipului de prindere 1 sau superior, indica un comportamentdisipativ global destul de bun a acestor tipuri de cadre. Articulaiile plastice s-au dezvoltat in seciunileriglelor constante (trecerea de la sectiune constanta la sectiune variabila), clasa seciunii in acest cazfiind 2 sau 1. In acest caz pentru exprimarea caracterului disipativ, in proiectarea curenta s-ar puteautiliza un factor de comportare superior valorii de 2 (q>2), maxim admis seciunilor de clasa 3.

Practic colapsul structurii nu a aprut n nici unul din cazurile analizate, chiar daca au fost nregistratedeplasri mari. In acest caz, starea limit ultim ar putea fi exprimat prin limitarea driftului inelastic.

Rezultatele obinute confirma valoarea de 1.5 a factorului de reducere a ncrcrii seismice propus indraftul final al EN 1998-1. Oricum, dac principiile proiectrii anti-seismice sunt corect aplicate, istructura este bine legat mpotriva pierderii stabilitii prin flambaj cu ncovoiere rsucire, redundanai supra-rezistena rezultate, ar putea mbuntii aceast valoare.



35/36

Referitor la comportarea mbinrilor rigla-stlp cu placa de capt extinsa, studiul efectuat a scos neviden importana pe care o are verificarea unei mbinrii n conformitate cu metoda componentelor,ajungndu-se la concluzia ca nu uruburile reprezint neaprat punctul slab al unei mbinri, cielementele componente ale mbinrii respective.

In toate cazurile mbinrile au rezultat a avea un comportament semi-rigid i nu rigid cum se consider n mod normal n analiza curent a unui cadru. Acest lucru ar trebui avut n vedere n proiectareacurent a unui cadru portal, deoarece starea de eforturi n structura ar putea diferi semnificativ.

De asemenea s-a observat ca cedarea ar putea avea loc n afara mbinrii i anume n vuta riglei, fra fi afectate componentele mbinrii. Acest lucru s-a ntmplat n special n cazul analizelor neliniareelasto-plastice. Rezervele plastice ale mbinrilor sunt influenate n mare msur de zvelteea tlpilor i nu a inimii.



36/36

6. BIBLIOGRAFIE

ENV 1993-1-1 Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for bulidings,1992;

L.J. Morris and K. Nakane : Experimental behaviour of haunched member,Instability and plastic collaps of structure, Granada Publishing, 1983;O. Halasz and M. Ivany : Test with simple elastic-plastic frames,Periodica Polytehnica, Budapest,November 1978;

J.M. Davies : Inplane stability in portal frames,The Structural Engineer , Vol. 68, No. 8, p. 141-147,1990;

F.M. Mazzolani and V. Piluso:Seismic Design of Resistant Steel Frames , E & FN Spon, London,1996;

EN 1998-1 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Part 1: General rules, seismicactions and rules for buildings, CEN/TC250/SC8, Draft No 4, December 2001;

D. Dubina, I. M. Cristutiu, V. Ungureanu, Zs. Nagy :Stability and ductility performances of light steel industrial building portal frames, 3-rd European Conference of Steel Structures, Eurosteel2002, Coimbra-Portugal;

I.M. Cristutiu : Stability and ductility of pitched roof portal frames for industrial steel buildings,10-th European Summer Academy 2002, Advanced study in Structural engineering and CAE, BauhausUniversity- Weimar, Weimar, Germania, 29iul. 10 aug., 2002 ;

I.M. Cristitiu :Criterii de proiectare pentru halele metalice cu structur din cadre portal cu elementecu seciuni variabile de clase 3 si 4 amplasate in zone seismice. Normative de proiectare. Soluii constructive. Referat nr. 1 in vederea intocmirii tezei de doctorat;

I.M. Cristutiu :Studiul Stabilitatii si ductilitaii halelor metalice usoare cu structuri in cadre . Lucare dedisertatie master : Structuri si Tehnologii Noi pentru Constructii

prEN 1993-1-8 Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.8: Design of joints, 2002

STAS 10108/0-78: Calculul elementelor din otel, Instutul roman de standardizare

Jaspart JP. Etude de la semi-rigidite des noeuds pouter-colonne et son influence sur la rsistance desossatures en acier. Phd. Thesis, Department MSM, Universit de Lige, 1991

Studiul Stabilitatii Si Ductilitatii Halelor Metalice Usoare Cu Structuri in Cadre

Documents

Transcript of Studiul Stabilitatii Si Ductilitatii Halelor Metalice Usoare Cu Structuri in Cadre