STUDIU DE CAZ ASUPRA UNOR STRUCTURI CU BAZA IZOLATĂ

Transcription

1 STUDIU DE CAZ ASUPRA UNOR UCTURI CU BAZA IZOLATĂ Cristian GHINDEA, Nicolai ŢOPA Universitatea Tehnică de Construcţii, Bucureşti, Universitatea Tehnică de Construcţii, Bucureşti Abstract: This study intends to observe the response of base isolated structures at special seismic condition of Romanian territory. The paper shows the obtained results from time-history analyses for three base isolated structures, covering a general range of real structures, using two isolation systems (natural vibration period of the isolation system is seconds, respectively, seconds). The seismic motion is described by recorded accelerograms and by artificially generated accelerograms. The conclusions show the performance level of the base isolation system. The isolation system characterized by a natural period equal with seconds assures a reduced response of the base isolated structures comparatively with fixed base structures response. Key words: base isolated structures, Vrancea earthquakes. INTRODUCERE Cutremurele sunt potenţiale evenimente naturale care ameninţă vieţi, distrug bunuri materiale şi întrerup servicii necesare pentru menţinerea vieţii şi a relaţiilor sociale. În proiectarea seismică convenţională, un nivel acceptabil de performanţă al clădirii, în timpul unei mişcări seismice, constă în capacitatea intrinsecă a structurii de rezistenţă de a absorbi şi disipa energie într-o manieră cât mai stabilă şi pentru cât mai multe cicluri.. Disiparea energiei are loc, de exemplu, în zonele special realizate ale grinzilor unde apar articulaţii plastice şi la bazele stâlpilor, elemente cu un rol important, însă, şi în sistemul pentru preluarea încărcărilor gravitaţionale. Articulaţiile plastice reprezintă zone de concentrare a degradărilor care de obicei nu mai pot fi reparate. Ca urmare a faptului că siguranţa vieţii este asigurată, colapsul structurii este împiedicat şi, nu în ultimul rând, ca urmare a unor factori economici, orientarea actuală în proiectarea seismică raţională a structurilor nu poate fi înlăturată, ea utilizându-se pe scara largă atât la proiectarea structurilor noi, cât şi la consolidarea celor existente. Totuşi, în ultima perioadă, la nivel mondial, tot mai multe clădiri sunt proiectate să reziste la mişcarea seismică utilizându-se un concept relativ nou, şi anume acela de a introduce în structură dispozitive speciale cu rolul de a absorbi şi/sau disipa energia indusă în structură de mişcarea seismică. Aceste dispozitive pot fi introduse pentru a îmbunătăţi comportarea structurii din punct de vedere al ductilităţii, conform principiilor prezentate mai sus, sau pentru a prelua în totalitate încărcarea seismică. Sistemele de izolare a bazei reprezintă un astfel de sistem special. Principiul fundamental al izolării bazei este acela de a modifica răspunsul clădirii astfel încât terenul să se mişte sub clădire fără a transmite mişcarea acesteia []. Sistemul ideal ar consta într-o separaţie totală, dar, în realitate, este necesar să existe câteva zone de contact între structura şi teren. Amplasarea izolatorilor seismici duce la o mărire a flexibilităţi bazei în plan orizontal, în scopul creşterii perioadei de vibraţie, în aşa fel încât acceleraţia transmisă structurii sa fie considerabil redusă (figura.). Comparând variaţiile deplasărilor şi ale forţelor ce acţionează asupra structurii se constată că odată cu schimbarea perioadei de vibraţie, la o creştere a

2 deplasărilor la nivelul bazei corespunde o scădere a forţelor ce acţionează asupra structurii (figura.) []. Acceleratie Schimbarea perioadei Spectrul acceleratiilor de raspuns Fota sau Deplasare Schimbarea perioadei Comparatie intre forta si deplasare vs. perioada de vibratie Perioada Fig.. Principiul teoretic al izolării bazei Perioada Mişcarea seismică pe teritoriul României se datorează in principal seismelor produse in sursa Vrancea. Mişcarea seismică, în general, are un grad de incertitudine sporit. Pe teritoriul României aceasta se datorează in principal seismelor produse în sursa Vrancea. Se poate observa că apar diferenţe între caracteristicile mişcării pentru înregistrări ale aceluiaşi seism pe amplasamente destul de apropriate, sau în acelaşi amplasament considerând mişcări din aceeaşi sursă dar la perioade de timp diferite. În special, cutremurele Vrâncene înregistrate în amplasamente din Bucureşti sunt caracterizate printr-o bandă largă de frecvenţe importante. Spectrul de acceleraţii de proiectare prevăzut în codul de proiectare seismică P-/ prezintă o zonă de amplificare a acceleraţiilor suficient de dezvoltată; palierul de acceleraţii maxime cuprinzând perioade între. s şi. s. Pentru o mai bună caracterizare a mişcării, pe lângă accelerogramele înregistrate, s-au realizat şi s-au utilizat accelerograme generate artificial.. GENERAREA DE ACCELEROGRAME ARTIFICIALE Conform Codului de proiectare seismică P-/ [], accelerogramele artificiale sunt acele accelerograme generate pe baza unui spectru de răspuns elastic pentru acceleraţii în amplasament, S e (T). Spectrul de răspuns elastic al accelerogramelor artificiale trebuie să fie apropiat de spectrul de răspuns elastic pentru acceleraţii în amplasament. Pe baza spectrului de răspuns elastic pentru acceleraţii în amplasament S e (T) trebuie generat un set de accelerograme artificiale care să respecte următoarele condiţii []: Numărul minim de accelerograme sa fie trei; Media aritmetică a valorilor acceleraţiilor de vârf ale accelerogramelor generate să nu fie mai mică decât valoarea a g pentru amplasamentul respectiv; Toate valorile spectrului mediu calculat prin medierea aritmetică a ordonatelor spectrelor elastice de răspuns pentru acceleraţii corespunzând tuturor accelerogramelor artificiale generate trebuie sa nu fie mai mici cu mai mult de % din valoarea corespunzătoare a spectrului elastic de răspuns în amplasament S e (T). Interesul principal din punctul de vedere al amplasamentului l-a constituit oraşul Bucureşti, zonă caracterizată printr-o perioadă de colţ T C =.s şi o acceleraţie a terenului a g =.g=. 9. m s.5 m s. Accelerogramele artificiale au fost generate cu ajutorul programului SimSeisme - program realizat cu subrutine de Matlab, fiind bazat pe binecunoscutul program SIMQKE []. Folosind programul menţionat anterior s-a generat un set de trei accelerograme. Pentru reducerea numărului de analize în cadrul studiului parametric din setul de accelerograme înregistrate s-au folosit doar două din acestea. Variaţia în timp a acceleraţiilor în cele două cazuri este prezentată în figurile...

3 Acc. [m/s ] PGA=. m/s Acc. [m/s ] PGA=. m/s 5 5 Fig.. Accelerograma artificială (Acc) Fig.. Accelerograma artificială (Acc) PGA=. m s PGA=. m s În figurile.. se pot urmări spectrele de răspuns elastic ale accelerogramelor generate artificial în comparaţie cu spectrul de răspuns elastic pentru acceleraţii din amplasamentul ales. Spectrele s-au determinat pentru o amortizare de 5% din amortizarea critică. S a(t) [m/s ] T [s] AccA P S a(t) ]m/s ] T [s] AccA P Fig.. Spectrul de răspuns elastic pentru Fig.. Spectrul de răspuns elastic pentru Acc comparativ cu P-/ Acc comparativ cu P-/ Pentru găsirea perioadelor critice pentru cele trei accelerograme artificiale s-au realizat spectre Fourier pentru acceleraţii după cum se pot observa în figurile T=.s 5.5 T=.57s Fourier Amplitude [m/s ] T=.s T=.s T=.s T=.7s T=.s T=.7s Fourier Amplitude [m/s ] T=.9s T=.s Fig..5 Spectrul Fourier de acceleraţii pentru Acc T [s] Fig.. Spectrul Fourier de acceleraţii pentru Acc T [s]. ALEGEREA UCTURILOR PENTRU ANALIZĂ Pentru prezentul studiu s-a dorit analizarea a trei modele de structuri, elementul principal care face diferenţierea între acestea fiind perioada de vibraţie fundamentală. S-a avut în vedere o distribuţie a perioadelor de vibraţie astfel încât să se acopere o gamă largă de structuri reale afectate de cutremurele din sursa Vrancea. Astfel perioadele de vibraţie ţintă sunt T =.5s; T =.7s şi T =.s. Din punct de vedere structural, sistemul ales pentru modele supuse analizei este de structură în cadre de beton armat cu trei deschideri egale atât pe direcţie transversală cât şi longitudinală, rezultând astfel o simetrie a structurii faţă de ambele direcţii.

4 Numărul de etaje corespunzător fiecărui model a fost determinat pe baza relaţiei simplificate, din normativul P-, între perioada de vibraţie fundamentală a structurii şi înălţimea totală a acesteia: T Ct H = (.) unde: T perioada de vibraţie fundamentală a structurii; H - înălţimea totală a structurii; C t coeficient care ţine seama de tipul structural ( C t =. 75 în cazul cadrelor spaţiale cu noduri rigide din beton armat). Încărcările considerate în calcul sunt următoarele: o Încărcări permanente pe planşee (provenind din pardoseală şi pereţi despărţitori şi de închidere): q p =.7kN m ; o Încărcări utile, acţionând pe planşeele de la nivelele curente (mai puţin pe placa de acoperiş: q u =.kn m o Încărcare din zăpada: q z =.5kN m. Respectând ideile prezentate anterior au rezultat trei structuri ale căror caracteristici sunt prezentate în tabelul.. Tabelul. Modele structurale alese pentru studiu Nr. Modelul Număr nivele Înălţimea H [m]. ructura () nivele. ructura () 5 nivele. ructura () nivele În figurile.. sunt prezentate schemele constructive ale structurilor alese. D C B A Gr x5 Gr x5 Gr x Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 h p= 5 cm Gr x5 Gr x5 Gr x Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x5 Gr x Gr x5 Gr x5 Gr x5 D C B A x x x x x h p= 5 cm Fig.. Plan etaj curent pentru structura Fig.. Plan etaj curent pentru structura D C B A x x x x x x x x x x h p= 5 cm x x x x x x x x x x x x x Fig.. Plan etaj curent pentru structura Fig.. Secţiune transversală pentru structura x x x x

5 Fig..5 Secţiune transversală pentru Fig.. Secţiune transversală pentru structura structura Pentru studierea răspunsului structurilor cu baza izolată, alese anterior, în cazul unei acţiuni seismice, s-au realizat modele spaţiale bazate pe metoda elementului finit. S-au avut în vedere următoarele trei cazuri de analiză: i. ructură fără dispozitive de atenuare; ii. iii. ructură cu baza izolată (perioada de vibraţie a sistemului de izolare de secunde); ructură cu baza izolată (perioada de vibraţie a sistemului de izolare de secunde). Pentru modelarea structurilor şi efectuarea calcului dinamic, time-history, s-a utilizat programul de calcul integrat pentru analiza şi proiectarea structurilor ETABS [5]. Pentru modelarea sistemului de izolare a bazei, în ambele variante, s-a considerat structura aşezată pe un radier din beton armat având o grosime de 7 cm, rezultând astfel o masă a bazei M b =9.75 tone. Sistemul de izolare este realizat din izolatori cu amortizare ridicată (HDRB - High Damping Rubber Bearing), înlocuiţi pentru modelare cu elemente de tip link, pentru calcul considerându-se un coeficient de amortizare ν = % din amortizarea critică []. Proprietăţile elementelor tip link pentru sistemul de izolare cu T= s, respectiv cel cu T=s, se regăsesc în tabelul.. Tabelul.: Caracteristici pentru modelare r. Caracteristici structură T M s IsoB k link Caracteristici Sistem de izolare cu T= s s IsoB s [kn m] [tone/s] c link IsoB k link Caracteristici Sistem de izolare cu T= s s IsoB s [kn m] [tone/s] [s] [tone] Cele trei structuri alese au fost analizate, corespunzător celor patru cazuri de modelare, sub acţiunea unor mişcări seismice, după urmează: A. Mişcări seismice înregistrate: i. Accelerograma INCERC Bucureşti, sursa Vrancea,..977, componenta NS; ii. Accelerograma INCERC Bucureşti, sursa Vrancea,..9, componenta NS; c link

6 B. Mişcări seismice artificial generate: i. Accelerograma Acc; ii. Accelerograma Acc. Pentru caracterizarea din punctul de vedere al compoziţiei în frecvenţe predominante a accelerogramelor înregistrate utilizate, asemănător cu cazul accelerogramelor artificiale, s-au realizat spectre Fourier pentru acceleraţii (figurile.9 şi.) 5.s INCERC Bucureşti-Vr-77-NS.s INCERC Bucureşti-Vr--NS Acceleraţie [cm/s ] 5 5.s.s Acceleraţie [cm/s ].s.5s Fig..9 Spectrul Fourier pentru accelerograma INCERC Bucureşti 77 T [s ] Fig.. Spectrul Fourier pentru accelerograma INCERC Bucureşti T [s ]. STUDIU PARAMETRIC Compararea răspunsului structurilor analizate ca urmare a acţiunilor seismice propuse s-a realizat la nivelul deplasărilor relative orizontale ale unui nod situat la ultimul nivel al structurii, relativ la deplasarea bazei structurii. ructura () structura cu nivele având T s. 5s = IsoBs INCERC Bucuresti - Vrancea 77 -NS Fig.. Deplasare la vârf pentru IsoBs INCERC Bucuresti - Vrancea -NS Fig.. Deplasare la vârf pentru IsoBs Acc Fig.. Deplasare la vârf pentru IsoBs Acc Fig.. Deplasare la vârf pentru

7 ructura () structura cu 5 nivele având Ts =.7 s.. INCERC Bucuresti - Vrancea 77 -NS INCERC Bucuresti - Vrancea -NS IsoBs Fig..5 Deplasare la vârf pentru +IsoBs Fig.. Deplasare la vârf pentru Acc -. Acc IsoBs +IsoBs Fig..7 Deplasare la vârf pentru Fig.. Deplasare la vârf pentru ructura () structura cu nivele având Ts =.7 s.5. INCERC Bucuresti - Vrancea 77 -NS INCERC Bucuresti - Vrancea -NS IsoBs Fig..9 Deplasare la vârf pentru +IsoBs Fig.. Deplasare la vârf pentru Acc Acc IsoBs Fig.. Deplasare la vârf pentru +IsoBs Fig.. Deplasare la vârf pentru

8 5. CONCLUZII Sistemul de izolare a bazei, avânt perioada de izolare de două secunde, a înregistrat cel mai bun răspuns în cazul structurii, cu nivele, () unde pentru toate cele patru mişcări seismice considerate s-au obţinut reduceri considerabile ale deplasărilor maxime si ale deplasărilor relative de nivel, cu aproximaţie între 5% (accelerograma INCERC, sursa Vrancea,..977) si 5% (accelerogramele şi ). În cazul celorlalte structurii se poate observa o dependenţă de conţinutul de frecvenţe al mişcării seismice (figurile.,.,.,.5,.7,.). Un exemplu îl poate constituii structura () în cazul mişcării seismice descrise de accelerograma artificială (figura.7), unde perioada de vibraţie a sistemului cu baza izolată de. s se suprapune perfect cu perioada de vibraţie pentru care seismul are un răspuns important (vezi figura.5). Cu excepţia structurii şi a cazurilor observate mai sus sistemul de izolare oferă o reducere a amplitudinilor deplasărilor de aproximativ 5%. Un răspuns important din punct de vedere al reducerii efectelor mişcării seismice se poate observa în cazul sistemului de izolare a bazei, unde perioada de vibraţie proprie a sistemului de izolare este de trei secunde. Rezultatele obţinute au indicat că sistemul a atenuat mişcarea seismică în cazul celor trei structuri studiate, indiferent de acţiunea la care a fost supusă structura. Acest lucru poate fi motivat de faptul că structura cu baza izolată are o perioadă de vibraţie fundamentală ce depăşeşte secunde, asigurându-se astfel scoaterea structurilor din zona de amplificare a cutremurelor de tip Vrancea. Reducerea deplasărilor la vârful structurilor analizate se încadrează între % şi %. Suplimentar, se poate lua în considerare unul din principiile pentru care a luat naştere ideea de izolare a bazei şi anume acela că pe toată durata acţiunii seismice structura trebuie să îşi păstreze comportarea elastică, deci să nu aibă degradări ale elementelor structurale. În acest caz putându-se considera că sistemul de izolare a bazei structurilor poate da rezultate foarte bune în condiţiile acţiunii seismice. Comparativ cu sistemul clasic de proiectare unde, prin considerarea unui factor de comportare q între limitele prevăzute în codul de proiectare P/ (de exemplu, pentru structuri din beton armat, q 5. = []), se pot obţine reduceri de 5%, până la 7.5%, ale forţei seismice de proiectare, cu condiţia admiterii unor degradări structurale, care în anumite cazuri pot scoate din uz structura, sistemul de izolare a bazei se poate dovedi mult mai eficient. udiul a fost realizat cu finanţare UEFISCU-CNCSIS în cadrul programului PNII, contract nr. 7/7 BIBLIOGRAFIE []. Kelly, T.E., Base Isolation of ructures. Design Guidelines, Wellington, New Zealand, ed: Holmes Consulting Group Ltd,. []. Mayes, R., ate of the Art Technologies: Base Isolation and Energy Dissipators - Protection of Nonstructural Elements and Contents, San Francisco, SUA, th Anniversary Earthquake Conference Commemorating the 9 San Francisco Earthquake, [web] []. ***, P--. Cod de proiectare seismica, Bucureşti, MTCT, []. Lestuzzi, P., SimSeisme (Free software for earthquake engineering and structural dynamic)., [web] [5]. ***, ETABS, [web] []. Chopra, A.K.,Dynamics of ructures.rd ed, Prentice Hall,. ISBN 57X