«

»

Proiectarea cladirilor inalte cu structura metalica (I)

Share

Noul normativ de proiectare seismica P 100-2004 in domeniul proiectarii cladirilor cu structura metalica stabileste cateva dintre cele mai importante prevederi de calcul. In acest numar al Revistei Constructiilor veti lua cunostinta de prevederile de calcul, care au fost comparate cu cele similare din normativul P 100-92, evidentiindu-se modificarile cele mai importante. In partea a doua a lucrarii, pe care o vom publica in urmatorul numar al Revistei Constructiilor, vom prezenta un studiu de caz legat de proiectarea unei cladiri metalice multietajate, in conformitate cu prescriptiile de calcul din cele doua norme, inclusiv rezultatele expertizei efectuate asupra infrastructurii proiectate dupa normativul P 100-92.

 

Evenimentele seismice majore care au marcat ultimele doua decade (Mexico City, Northridge, Kobe, Turcia, Taiwan) au provocat numeroase pierderi de vieti omenesti si costuri materiale foarte ridicate. Printre cladirile care au avut o comportare nesatisfacatoare s-au numarat si cele cu structura metalica. Situatia a devenit deosebit de alarmanta, deoarece printre tarile afectate se numarau SUA si Japonia, tari avand o indelungata traditie in domeniul cladirilor cu structura meta­lica si norme moderne de proiectare antiseismica. Rezolvarea acestor probleme trebuia facuta, in primul rand, prin modernizarea normelor de calcul si, in al doilea rand, prin dezvoltarea unor solutii structurale noi sau modernizarea celor deja cunoscute si folosite cu succes. Procesul de dezvoltare a normelor de proiectare antiseismica a cuprins si tari din Europa, printre care si Romania. Astfel, la nivel european a aparut si s-a dezvoltat norma seismica Eurocode 8 (EN 1998), prin care s-a incercat dezvoltarea unor prevederi unice de calcul seismic pentru tarile europene situate in zone seismice. Avand in vedere atat seismicitatea teritoriului, cat si o anumita ramanere in urma in ceea ce priveste prevederile de calcul seismic, s-a trecut si in tara noastra la elaborarea unui nou cod de proiectare seismica. Pentru a se folosi experienta acumulata la nivel european, dar si datorita integrarii  Romaniei in structurile europene, s-a decis alinierea prevederilor de calcul seismic la cele europene, prin adaptarea normei EN 1998 la conditiile specifice din tara noastra.

Noul cod de proiectare, denumit P 100-2004, a intrat in vigoare in cursul anului 2006 simultan cu aplicarea codului de proiectare pentru bazele proiectarii structurilor in constructii si a noului cod de proiectare pentru evaluarea actiunii zapezii asupra constructiilor. Aplicarea acestor doua coduri va conduce la majorarea incarcarii din zapada luate in calcul in analiza seismica, primul prin majorarea coeficientului pentru determinarea valorii cvasipermanente a actiunii zapezii, iar al doilea prin majorarea valorii caracteristice a incarcarii din zapada. Aceasta crestere va fi simtita indeosebi in cazul cladirilor parter cu acoperisuri usoare, la care incarcarea din zapada joaca un rol hotarator.

Iata cateva dintre cele mai importante prevederi din noua norma seismica P 100-2004 si unele comparatii cu norma actuala P 100-92.

 

Sinteza comparativa a prevederilor din P 100/2004 Si P 100/1992 pentru structuri in cadre metalice multietajate

Conceptul pe care se bazeaza normele actuale de calcul antiseismic s-a nascut in urma cu peste 70 de ani. Acesta se bazeaza pe proiectarea structurilor, astfel incat:

• sa se limiteze degradarile si avariile;

• sa se evite prabusirile elemen­telor structurale sau nestructurale;

• vietile oamenilor sa fie protejate;

• pagubele materiale sa fie limitate.

Respectarea acestor cerinte se poate face prin asigurarea unui nivel corespunzator de protectie antiseismica. Asigurarea nivelului de protectie antiseismica depinde atat de caracteristicile seismice ale ampla­samentului, cat si de tipul si caracteristicile structurii de rezistenta ale constructiei. In continuare, se pre­zinta o sinteza comparativa a prescriptiilor de calcul din norma actuala P 100-92 si cea din norma P 100-2004, care va intra in aplicare in cursul anului 2006. Cele mai importante prevederi la care se face referire in analiza comparativa sunt cele legate de criteriile de proiectare pentru elementele si imbinarile structurilor metalice.

Normativul P 100-92

 

Prevederi generale

Normativul P 100-92 are ca scop limitarea degradarilor, precum si prevenirea cedarilor elementelor structurale si ne-structurale, echipamentelor si sistemelor, pentru:

• a evita pierderile de vieti omenesti sau ranirea oamenilor;

• a evita intreruperea activitatilor si serviciilor esentiale pe timpul si imediat dupa producerea cutremurului;

• a evita distrugerea sau degra­darea valorilor culturale si artistice de mare valoare;

• a evita degajarea de substante periculoase (toxice, explozibile etc.);

• a limita pagubele materiale.

Aceste cerinte pot fi indeplinite prin asigurarea unui nivel de protectie antiseismica corespunzator.

 

Criterii pentru proiectarea structurilor metalice

In conformitate cu prescriptiile din normativul actual, structurile metalice se proiecteaza astfel incat, in timpul unei actiunii seismice intense, unele parti ale lor, denumite zone plastice potentiale, sa poata depasi domeniul de comportare elastica in scopul de a disipa o parte din energia seismica prin deformatii postelastice. Aceasta capacitate de disipare are o influenta semnificativa asupra fortei seismice de calcul, prin intermediul coeficientului Y deoa­rece alegerea acestuia depinde de ductilitatea structurii, de capacitatea de redistributie a eforturilor, de rezerva de rezistenta neconsiderata in calcul, precum si de efectele de amortizare ale vibratiilor. Coeficientul se alege in functie de alcatuirea constructiva a structurii. In functie de valoarea coeficientului de reducere a fortelor seismice adoptat la proiectare, trebuie sa se respecte conditiile prezentate in tabelul 1.

Calculul elementelor si imbinarilor

Deoarece normativul actual nu permite formarea articulatiilor plastice in imbinari, acestea trebuie sa posede o anumita suprarezistenta pentru a ramane in stadiul elastic. Acestea vor fi dimensionate la eforturile obtinute prin inmultirea eforturilor capabile ale elementelor imbinate cu coeficientul 1,25.

Structurile in cadre necontravantuite se vor proiecta astfel incat, sub actiunea cutremurelor cu intensitate ridicata, articulatiile plastice sa apara mai intai in grinzi la legatura cu stalpii si numai dupa aceea, eventual si in stalpi, insa se va evita aparitia zonelor plastice in imbinari. In zonele plastice potentiale vor fi satisfacute relatiile:

N/A ú 0,1 R; Mx/Wx ú R; T/Ai ú 0,2 R

in care:

– N, T, Mx: efortul axial, forta taie­toare si respectiv momentul incovo­ietor maxime, din zona plastica potentiala;

– Wx: modulul de rezistenta al sectiunii;

– Ai: aria sectiunii inimii.

Nodurile grinda-stalp se vor calcula la eforturi egale cu produsul gpS, in care:

– S: efortul produs in imbinare de incarcarile de calcul

– gp: coeficient de multiplicare (gp = 1,2 pentru nodurile plasate in zone plastice potentiale; gp = 1,0 pentru noduri situate in celelalte zone).

Deoarece este prevazuta conditia ca articulatiile plastice sa se formeze mai intai in grinzi, acest lucru impune asigurarea conceptului de stalp tare – grinda slaba, prezent in majoritatea normelor de calcul seismic. Pentru a se evita pierderea stabilitatii generale a stalpilor, normativul P100-92 impune conditii foarte severe referitoare la coeficientul maxim de zveltete al stalpilor:

l ú  0,70 le,

unde:

Calculul la starea limita de deformare

Normativul P 100-92 impune veri­ficarea structurii la starea limita de deformare, cu scopul evitarii degradarii excesive a unor elemente nestructurale si producerea unor deplasari prea mari. Valorile admise difera in functie de deformabilitatea elementelor de inchidere si compartimentare si se exprima prin deplasari relative de nivel, variind intre He/285, in cazul in care peretii nu pot urmari deformatiile structurii si He/142, in cazul materialelor deformabile. In cazul structurilor metalice, deplasarile admise variaza de la He/200 pana la He/120, in functie de deformabilitatea peretilor. Valorile acestor deplasari admise sunt similare cu cele din alte norme seismice. Diferenta fata de aceste norme o constituie insa verificarea deplasarilor pe baza seismului de calcul, cu o perioada mare de revenire, in locul celui de serviciu, cu o perioada mai mica de revenire, asa cum este in celelalte norme. Acest lucru face destul de dificila indepli­nirea cerintelor de rigiditate, in special in cazul structurilor in cadre necontravantuite.

Normativul P 100-2004

 

Prevederi generale

Normativul P 100-2004 urmareste ca, in cazul unor evenimente seismice, sa asigure performante suficient de inalte ale constructiilor pentru:

• evitarea pierderilor de vieti omenesti sau a ranirii oamenilor;

• mentinerea, fara intrerupere, a activitatilor si a serviciilor esentiale pentru desfasurarea continua a vietii sociale si economice, in timpul cutremurului si dupa cutremur;

• evitarea producerii de explozii sau a degajarii unor substante peri­culoase;

• limitarea pagubelor materiale.

Spre deosebire de normativul P100-92, noul normativ defineste mult mai clar cerintele de performanta si conditiile de indeplinire ale acestora:

siguranta vietii;

• limitarea degradarilor.

Indeplinirea cerintelor stabilite anterior se controleaza prin verificarile la cele doua stari limita:

Stari limita ultime (ULS), asociate cu ruperea elementelor structurale si alte forme de cedare structurala care pot pune in pericol siguranta vietii oamenilor;

Stari limita de serviciu (SLS), care au in vedere dezvoltarea degradarilor pana la un nivel, dincolo de care cerintele specifice de exploatare nu mai sunt indeplinite.

In noul normativ, intervalul mediu de recurenta de referinta al miscarii seismice pentru ULS, creste de la 50 la 100 de ani. O alta modificare importanta este cea referitoare la veri­ficarile la starea limita de serviciu, care se fac pentru un interval de recurenta mai mic, si anume 30 de ani.

 

Criterii pentru proiectarea structurilor metalice

In conformitate cu noul normativ P 100-2004, cladirile sunt proiectate in concordanta cu unul din urmatoarele concepte privind raspunsul seismic al structurilor:

• comportare disipativa a structurii (clasa de ductilitate ceruta H sau M);

• comportare slab disipativa a structurii (clasa L).

Acest lucru face posibila utilizarea structurilor slab disipative, care lucreaza preponderent in domeniul elastic si pentru care factorul de reducere q este egal cu 1,0. Normativul precizeaza ca, in acest caz, rezistenta elementelor si a imbinarilor trebuie evaluata in conformitate cu STAS 10108/0-78, fara alte cerinte suplimentare.

In cazul structurilor cu comportare disipativa, asigurarea ducti­litatii trebuie realizata prin asigurarea simultana a ductilitatii de material, a ductilitatii de sectiune si de element si a ductilitatii de structura.

Normativul contine prevederi suplimentare fata de P100-92 in ceea ce priveste garantarea unei calitati corespunzatoare a materialului (in cazul de fata otel). Cea mai impor­tanta dintre acestea se refera la luarea in considerare a posibilitatii ca limita de curgere efectiva a otelului sa fie mai mare decat limita de curgere caracteristica (fyd), prin intro­ducerea unui coeficient de amplificare a limitei de curgere gon = 1,25.

Referitor la cerintele exprimate pentru zonele disipative, noul normativ P100-2004 (la fel ca si cel actual) prevede formarea articulatiilor plastice in elemente si evitarea formarii lor in imbinari. Pentru a permite formarea articulatiilor plastice in elemente, acestea trebuie sa aiba sectiuni de clasa 1 (clasa H, M) sau 2 (clasa M).

Ductilitatea globala a structurii se exprima prin factorul de comportare q. Normativul prezinta valorile factorilor maximi de comportare ce pot fi folositi in proiectare si, spre deosebire de normativul actual, prezinta valori diferite pentru clasele de ductilitate H si M. Trebuie subliniat aici ca, desi norma europeana de calcul seismic EN 1998 prevede valori supraunitare ale factorului q (intre 1,0 si 2,0) chiar si pentru structurile din clasa de ductilitate L (redusa), normativul P 100-2004 indica valoa­rea q = 1,0 pentru aceasta categorie.

 

Calculul elementelor si imbinarilor

Datorita experientei acumulate pe plan international in utilizarea unor noi sisteme constructive, regu­lile de proiectare din normativul P 100-2004 s-au extins, prin luarea in considerare a unor noi tipuri de structuri, cum ar fi structurile contravantuite excentric si structurile duale, pentru care normativul P 100-92 nu contine prevederi de calcul sau alcatuire.

Pentru a se evita formarea articulatiilor plastice in imbinarile elemen­telor in zonele plastice potentiale, acestea trebuie sa posede o suprarezistenta suficienta. La calculul imbinarilor cu sudura in adancime si patrundere completa, normativul P100-2004 precizeaza ca eforturile la care se verifica imbinarea (Npl,Rd, Mpl,Rd, Vpl,Rd) se amplifica cu 1,20, desi aceste suduri sunt considerate suficient de rezistente pentru a impie­dica plastificarea lor, atat in normativul P 100-92, cat si in norma europeana EN 1998. Acest lucru face destul de dificila utilizarea sudurilor directe intre grinda si stalp. Imbinarile cu sudura in relief sau cu suruburi sunt tratate similar, atat in P100-92, cat si in P100-2004, cu diferenta ca eforturile de calcul sunt majorate in cel din urma, de la 1,25 Rfy la 1,1 gonRfy, in care:

Rfy      este rezistenta plastica a elementului disipativ care se imbina

gon       – coeficient de amplificare a limitei de curgere, gon = 1,25.

In zonele plastice potentiale ale grinzilor cadrelor necontravantuite, trebuie indeplinite urmatoarele conditii:

in care:

– NEd, MEd, VEd sunt eforturile de proiectare, respectiv forta axiala, moment incovoietor si forta taietoare de proiectare din gruparea de incarcari care include actiunea seismica;

– Npl, Rd, Mpl,Rd, Vpl,Rd sunt eforturile (capabile) plastice de proiectare ale sectiunii.

Pentru grinzile cadrelor necontravantuite, noul normativ aduce un element nou si anume posibilitatea folosirii solutiei „dog-bone“, adica reducerea latimii talpilor grinzii in vecinatatea imbinarii grinda-stalp.

Avand in vedere importanta deosebita a stalpilor in contextul limi­tarii avariilor in cazul unor miscari seismice medii, dar si al asigurarii stabilitatii generale a structurii in cazul producerii unor miscari seismice puternice, prevederile referitoare la stalpi au suferit modificari importante fata de normativul actual. Pentru a se evita formarea articula­tiilor plastice in stalpi, eforturile de verificare sunt amplificate cu mai multi factori, dupa cum arata relatiile urmatoare:

NEd = NEd,G + 1,1 gon WM NEd,E

MEd = MEd,G + 1,1 gon WM MEd,E

VEd = VEd,G + 1,1 gon WM VEd,E

in care:

NEd,G, MEd,G, VEd,G – efortul axial, momentul incovoietor si forta taie­toare in stalp din actiunile neseismice continute in gruparea de incarcari care include actiunea seismica;

NEd,E, MEd,E, VEd,E – efortul axial, momentul incovoietor si forta taie­toare in stalp din actiunile seismice de proiectare;

WM – valoarea maxima a lui  WiM= Mpl, Rd,i / MEd,i calculata pentru toate grinzile in care sunt zone potential plastice.

Se poate observa ca amplificarea eforturilor de calcul tine seama atat de posibilitatea cresterii limitei de curgere – factorul gon, cat si de rezerva de rezistenta din grinzile adiacente. P 100-2004 impune folosirea valorii maxime a lui WM, desi in EN 1998 se prevede folosirea valorii minime a aceluiasi factor in cazul in care WM se determina prin calcul. Forfetar, P 100-2004 indica valoarea WM = 3, similar cu norma americana AISC 2005. Spre deosebire insa de norma americana, in norma romaneasca acest factor cu valoare forfetara egala cu 3 trebuie multiplicat cu 1,1gon, ceea ce conduce la un coeficient total de multiplicare a eforturilor din actiunile seismice de proiectare egal cu 4,12, ceea ce este totusi exagerat. In fapt,  WM = 3 ar trebui sa fie coeficientul de multiplicare total, fara sa mai fie necesara afectarea lui cu produsul 1,1 gon. De asemenea, daca se lucreaza cu    WM determinat din calcul, atunci ar trebui sa se foloseasca valoarea minima, bineinteles afectata de produsul 1,1 gon.

Pentru a se evita pierderea stabilitatii generale a stalpilor, normativul P 100-2004 impune aceleasi conditii referitoare la coeficientul maxim de zveltete al stalpilor, dar numai in planul cadrului in care grinzile pot forma articulatii plastice:

In planul in care nu se pot forma articulatii plastice in grinzi, zveltetea stalpului este limitata la:

Prevederile referitoare la verificarea cadrelor contravantuite centric tin cont de faptul ca mecanismul de disipare a energiei este diferit fata de cazul cadrelor necontravantuite.

Avand in vedere faptul ca cea mai mare parte a energiei este disipata prin plastificarea contravantui­rilor, cadrele contravantuite centric trebuie proiectate astfel incat curgerea diagonalelor intinse sa se produca inainte de formarea articulatiilor plastice sau de pierderea stabilitatii generale in grinzi si stalpi. De aceea, valorile eforturilor de calcul pentru dimensionarea acestora vor fi majorate similar cu cele pentru verificarea stalpilor cadrelor necontravantuite, cu deosebirea ca factorul WN este valoarea maxima a raportului WiN = Npl,Rd,i / NEd,i calculata pentru diagonalele intinse ale sistemului de contravantuire al cadrului, in care Npl,Rd,i este efortul axial plastic al diagonalei „i“ iar NEd,i  este efortul axial de proiectare in aceeasi diagonala „i“, in gruparea de incarcari care include actiunea seismica. Si aici se face observatia ca P 100-2004 prevede folosirea valorii maxime a lui WN, desi in EN 1998 se prevede folosirea valorii minime a aceluiasi factor. Zveltetea stalpilor in planul contravantuit se limiteaza la:

In cazul cadrelor contravantuite excentric, elementele trebuie astfel dimensionate incat sa se asigure formarea articulatiilor plastice in barele disipative (linkuri), celelalte elemente ramanand in stadiul elastic. Normativul contine prevederi detaliate privind calculul si alcatuirea barelor disipative. Grinzile si stalpii se vor verifica cu relatiile folosite la cadrele necontravantuite, cu deosebirea ca factorul W se determina diferit, in functie de lungimea barelor disipative. Zveltetea limita este similara cu cea de la stalpii cadrelor contravantuite centric.

 

Conditii de deplasare laterala

Spre deosebire de P 100-92, noul normativ face diferenta intre deplasarile de nivel admisibile, afe­rente starii limita ultime si cele cores­punzatoare starii de serviciu. In primul caz, limitarea deplasarilor laterale are rolul de a limita degra­darile structurale si de a reduce amplitudinea efectelor de ordinul II, deplasarea maxima admisa fiind H/50. Trebuie mentionat aici ca o valoare similara este prevazuta si in EN 1998, insa acolo se face precizarea ca valoarea este valabila doar pentru structurile la care elementele nestructurale lipsesc sau nu interactioneaza cu structura. In cazul starii limita de serviciu, incadrarea in deplasarile admise are rolul de a limita degradarile elementelor nestructurale sau echipamentelor. Valorile admise difera in functie de deformabilitatea elementelor de inchidere si compartimentare si se exprima prin deplasari relative de nivel, variind intre He/250, in cazul in care peretii nu pot urmari deformatiile structurii si He/125, in cazul materialelor deformabile. Valorile acestor deplasari admise sunt similare cu cele din normativul P100-92, insa la verificari se tine seama, prin intermediul factorului n, de perioada de revenire mai mica a seismului de serviciu fata de seismul aferent starii limita ultime. Pentru structuri din clasa de importanta 3, valoarea factorului n este egala cu 0,5. q

(continuare in numarul viitor)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 23 – ianuarie-februarie 2007

 

Autori:
prof. dr. ing. Dan DUBINA,
s.l. dr. ing. Florea DINU,
s.l. dr. ing. Aurel STRATAN – Universitatea „Politehnica“ din Timisoara, Facultatea de Constructii

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2007/02/22/proiectarea-cladirilor-inalte-cu-structura-metalica-i/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.