«

»

Consolidarea cladirilor prin metoda izolarii bazei

Share

Odata cu trecerea timpului se pune tot mai stringent problema recuperarii, modernizarii si redarii functiona­litatii cladirilor construite cu ani in urma. Conservarea si prelungirea existentei lor preocupa specialistii in domeniu, cu prioritate arhitectii si proiectantii care vor sa repuna in valoare constructiile care definesc evolutia si specificul autohton. O prima etapa din aceasta tentativa o reprezinta asigurarea rezistentei structurii pe care este cladita constructia respectiva.

Va prezentam un studiu concret reusit in capitala. Un exemplu care nu trebuie sa ramana unicat, nici ca solutie, nici ca realizare. Concret, solutia adoptata pentru consolidarea cladirii „Victor SLAVESCU“ a A.S.E. – Calea GRIVITEI Nr. 2-2A, Bucuresti, pleaca de la principiul izolarii seismice a structurilor prin modificarea perioadei proprii de vibratie a cladirii (in sensul maririi), astfel incat aceasta sa fie plasata in afara zonei de amplitudine maxima a spectrului de raspuns pentru amplasamentul dat. Datorita relatiei directe intre spectrul de amplasament si perioada proprie de vibratie a structurii, proiectarea sistemului de izolare seismica pentru o cladire are un caracter de unicat.

 

Prin Expertiza Tehnica elaborata de catre S.C. PROESCOM SRL si E.B.C. SRL s-au evidentiat urmatoa­rele valori ale gradului de asigurare seismica, in cazul utilizarii metodei static echivalente:

• directia x:

• directia y:

Potrivit Normativului P100/1992 cu modificarile si completarile din 1996 referitoare la capitolele 11 si 12, din punctul de vedere al riscului seismic, in sensul efectelor probabile ale unor cutremure caracteristice amplasamentului, cladirea „Victor Slavescu“ se incadreaza in clasa RsII.

Pentru reducerea corespunzatoare a eforturilor in elementele structurale, ca si pentru reducerea valorilor deplasarilor relative de nivel, s-a optat pentru utilizarea a 80 de reazeme elastomerice SEP – USA, cu dimensiuni de 700 x 700 x 375 mm, capabile sa  asigure deplasari late­rale de 600 mm, precum si a 18 amortizori seismici Taylor Devices USA care pot furniza o forta maxima de 1500 kN, cursa lor fiind de ± 500 mm. Reducerea eforturilor este de aproxi­mativ 3 ori, atat pentru directia de actiune seismica paralela cu Calea Grivitei, cat si pentru directia de actiune seismica perpendiculara pe Calea Grivitei. Distributia depla­sarilor relative de nivel pe verticala arata o miscare generala de solid-rigid, cu o deplasare gene­rala la nivelul interfetei izolate de 15 cm pe directia paralela cu Calea Grivitei, respectiv de 20 cm pentru directia de actiune seismica perpendiculara pe Calea Grivitei, in conditiile montarii de dispozitive mecanice cu rol de disipare energetica – amortizori seismici.

Izolarea seismica este un concept de proiectare bazat pe premiza ca o structura poate fi in mod substantial decuplata de miscarile seismice cu potential distrugator.

Unul dintre proiectele de consolidare pentru cladiri inalte, care utilizeaza metoda izolarii bazei este cel aferent Oakland City Hall (foto 1), reali­zat de catre VBN Architects, fina­lizat in 1992.

Pentru izolarea seismica a Oakland City Hall, grav avariata de cutremurul Loma Prieta din 1989,  s-au folosit 110 reazeme cu diametre intre 737 mm si 940 mm, pentru un nivel al actiunii seismice de 0,48 g.

Imobilul „Victor Slavescu“ este clasat ca monument istoric, inregistrat in Lista Monumentelor Istorice cu codul  B-II-m-B-18837 cladirea fiind construita in anul 1905 (foto 2).

Cladirea „Victor Slavescu“ a A.S.E. Bucuresti, compusa din subsol, parter, doua etaje si mansarda, este aliniata la frontul Caii Grivitei si pre­zinta doua accese directe din strada, precum si un acces secundar prin curtea de serviciu situata in zona din spatele parcelei. Constructia este formata dintr-un volum compact, monobloc, articulat printr-o retragere cu cladirea invecinata a Muzeului Colectiilor (extinderea Casei Romanit) si separat printr-o alee de acces de cladirea Spitalului Carol Davila.

Cladirea studiata este realizata din zidarie de caramida cu acoperis tip sarpanta si invelitoare din tabla. Planseul peste subsol este realizat in solutie de boltisoare de caramida pe profile metalice, sistem des intalnit la sfarsitul secolului al XIX-lea si inceputul secolului XX pentru spa­tiile cu destinatie utilitara din subsoluri sau demisoluri.

Exterioarele sunt finisate cu tencuieli simple, la care se adauga deco­ratii din ipsos si tencuiala.

 

Solutia de consolidare prin metoda izolarii bazei

Pentru studierea comportarii spati­ale, de ansamblu, a cladirii s-a utilizat un program de calcul de ultima gene­ratie, bazat pe metoda elementului finit, si anume ETABS NON-LINEAR v.8.4.5. (licenta PROESCOM SRL nr. 7915/2005), pentru care s-au stabilit urmatorii parametri de calcul:

• Modelul structurii a luat in considerare intreg ansamblul structural, dezvoltat atat in plan, cat si pe inaltimea cladirii (subsol, parter si cele doua etaje cu pereti structurali din zidarie de caramida).

• Nivelul subsolului a fost modelat prin impartirea acestuia in doua – cu inaltimi diferite, pe verticala, astfel incat sa se respecte situatia reala a cotei trotuarului, intermediara intre cota fundatiilor si cea a planseului de peste subsol.

• Planseele au fost modelate in solutia cu boltisoare de caramida cu descarcare unidirectionala pe profile metalice, pentru respectarea cat mai fidela a alcatuirii structurale existente.

• Din punct de vedere al peretilor structurali, acestia au fost modelati respectand dimensiunile din rele­veele structurale si considerand urmatoarele caracteristici pentru zidaria de caramida: zidarie de caramida cu C50 si M10.

• Calculul automat s-a realizat considerand gruparea actiunilor atat in gruparea fundamentala, cat si in gruparile speciale; de asemenea, considerand actiunea seismica pe directiile principale, pe ambele sensuri pentru fiecare directie in parte.

Din analiza modala dezvoltata a structurii de rezistenta prin luarea in considerare a primelor 6 moduri proprii de vibratie, s-au selectat urmatoarele valori semnificative pentru perioadele proprii de vibratie:

• T1 = 0,79 sec (preponderent translatie paralela cu Calea Grivitei insotita de torsiune generala – fig. 1);

• T2 = 0,64 sec (preponderent translatie perpendiculara pe Calea Grivitei insotita de torsiune generala – fig. 2);

• T3 = 0,50 sec (preponderent torsiune generala – fig. 3);

• T4 = 0,20 sec (translatie paralela cu Calea Grivitei, cu un punct de inflexiune);

• T5 = 0,15 sec (translatie perpendiculara pe Calea Grivitei, cu un punct de inflexiune);

• T6 = 0,08 sec (translatie paralela cu Calea Grivitei, cu doua puncte de inflexiune).

Analiza modala a evidentiat flexibi­litatea structurii in planuri orizontale, lipsa de rigiditate datorita sistemului structural al planseelor, precum si ponderea mare a miscarii de torsiune gene­rala in modul 1 si 2 de vibratie, rezultata ca urmare a diferentelor de rigiditate pe cele doua directii principale (dispunere inegala de elemente verticale de rezistenta).

Pentru reducerea corespunzatoare a eforturilor in elementele structurale, ca si pentru reducerea valorilor deplasarilor relative de nivel, au fost considerate pe rand, mai multe variante pentru valoarea rigi­ditatii efective a sistemului izolator, obtinandu-se perioade corespunzatoare ale cladirii izolate cuprinse intre Tizolat = 2,5 sec ÷ 3 sec, iar pentru reducerea depla­sarilor generale de solid-rigid s-au considerat diverse dispuneri de elemente meca­nice cu rol de disipare energetica.

In final, s-a optat pentru utilizarea a 80 de reazeme elastomerice SEP – USA, cu dimensiuni de 700 x 700 x 375 mm, capabile sa asigure deplasari laterale de 600 mm, precum si a 18 amortizori seismici Taylor Devices USA care pot furniza o forta maxima de 1500 kN, cursa lor fiind de ± 500 mm (foto 3).

Solutia de consolidare a fost determinata de doi factori:

• Cladirea este monument istoric si de arhitectura;

• Se doreste asigurarea functio­na­litatii cladirii pe perioada lucrarilor de consolidare.

Asigurarea consolidarii cladirii in conditiile prevazute de normativele tehnice in vigoare, se realizeaza in prezent prin aplicarea unei tehnologii moderne utilizata si in alte tari cu seismicitate ridicata. Avantajul solutiei consta in faptul ca efectuarea lucrarilor de consolidare nu necesita evacuarea cladirii.

Principiul izolarii seismice a structurilor este de a modifica perioada proprie de vibratie a cladirii (in sensul maririi), astfel incat aceasta sa fie plasata in afara zonei de amplitudine maxima a spectrului de raspuns pentru amplasamentul dat. Datorita relatiei directe intre spectrul de amplasament si peri­oada proprie de vibratie a structurii, proiectarea sistemului de izolare seismica pentru o cladire are un caracter de unicat.

Metoda izolarii pasive a bazei introduce o solutie suplimentara de protectie a structurii, prin decuplarea suprastructurii de fundatie. Interfata suprastructura izolata – infrastructura rigida este alcatuita din centura superioara de sustinere a suprastructurii, din sistemul izolator propriu-zis (reazeme izolatoare), si din centura inferioara pe care reazema sistemul izolator si suprastructura. In acest plan, miscarea de lunecare este cvasi-libera in plan orizontal al cladirii.

Conceptul folosit la realizarea „izolatorului seismic“ il reprezinta asigurarea unei rigiditati minime la forfecare, simultan cu o rigiditate maxima la solicitari axiale. Izolatorul seismic este alcatuit dintr-un cilindru natural vulcanizat, armat cu tole meta­lice orizontale. Astfel, deformatia din forfecare este in functie de caracteristicile mecanice ale elastomerului, iar deformatia transve­r­sala sub incarcari axiale este impiedicata prin aderenta straturilor de elastomer la tolele meta­lice interioare. Izolatorul este prevazut cu placi metalice necesare solidarizarii cu elementele structurale inferioare, respectiv superioare.

In proiectarea antiseismica obiec­tivul predominant este reprezentat de relatia care exista intre fortele seismice impuse structurii si modalitatea de a le prelua. Intr-o proiectare ratio­nala, capacitatile de rezistenta si de deformatie pentru o structura trebuie sa fie mai mari decat cerin­tele impuse de actiunea seismica.

Prin decuplarea structurii de vibratiile terenului, izolarea seismica reduce nivelul raspunsului in structura de la nivelul care, altfel, ar putea sa apara intr-o structura cu baza fixata conventional, oferind astfel avantajul proiectarii la un nivel redus al incarcarii seismice, atingandu-se acelasi grad de protectie antiseismica ca si pentru o structura cu baza fixata conventional.

 

Calculul cadrului purtator si tehnologia izolarii bazei

Pentru constructiile existente, sepa­­rarea suprastructurii construc­tiei de legatura cu terenul trebuie sa indepli­neasca mai multe conditii:

• nedeformabilitatea practica a suprastructurii constructiei, sau mai exact pastrarea deformabilitatii in limite acceptabile;

• mentinerea sectiunii orizontale de la baza constructiei, in toate fazele de lucru, intr-un plan orizontal.

Pentru indeplinirea primei conditii de nedeformabilitate a structurii, se realizeaza dupa o tehnologie speciala, un element nou din beton armat in zona in care se taie legatura constructiei cu fundatia, denumit „cadru purtator“ si care de fapt reprezinta o retea de grinzi plane solicitate la incarcari normale pe planul lor (foto 4).

Alegerea solutiei pentru alcatuirea cadrului purtator a depins de doi factori:

• modul de conformare si natura materialelor din care este alcatuita suprastructura cladirii;

• modul de rezemare a constructiei prin intermediul cadrului purtator pe elementele izolatoare (fig. 4).

In vederea determinarii eforturilor in cadrul purtator, s-au stabilit doua ipoteze de transmitere a incarcarilor:

• cadrul purtator solicitat de incarcarea statica provenita din suprastructura cladirii, rezemata rigid;

• cadrul purtator solicitat de aceeasi incarcare, in ipoteza reze­marii elastice pe izolatori seismici;

Ipotezele de calcul pentru determinarea eforturilor in cadrul purtator sunt:
lcadrul purtator rezemat pe toti izolatorii seismici – elastic;

• cadrul purtator rezemat cu ipoteze de avarie:

– cedarea unui izolator seismic;

– cedarea a doi izolatori seismici, succesivi;

– alte ipoteze de avarie in functie de incarcari si de modul de conformare a cadrului purtator (fig. 5).

 

Concluzii

Prin Expertiza Tehnica elaborata de catre S.C. PROESCOM SRL si E.B.C. SRL  s-au evidentiat urmatoarele valori ale gradului de asigurare seismica, in cazul utilizarii metodei static echivalente:

• directia x:

• directia y:

Potrivit Normativului P100/1992 cu modificarile si completarile din 1996 referitoare la capitolele 11 si 12, din punctul de vedere al riscului seismic, in sensul efectelor probabile ale unor cutremure caracteristice amplasamentului, cladirea Victor Slavescu se incadreaza in clasa RsII.

Clasa de risc seismic RsII cores­punde constructiilor la care probabi­litatea de prabusire este redusa dar la care sunt asteptate degradari structurale majore la incidenta cutremurului de proiectare.

Solutia adoptata pentru consolidare pleaca de la principiul izolarii seismice a structurilor pentru modificarea perioadei proprii de vibratie a cladirii (in sensul maririi), astfel incat aceasta sa fie plasata in afara zonei de amplitudine maxima a spectrului de raspuns pentru amplasamentul dat. Datorita relatiei directe intre spectrul de amplasament si peri­oada proprie de vibratie a structurii, proiectarea sistemului de izolare seismica pentru o cladire are un caracter de unicat.

Pentru reducerea corespunzatoare a eforturilor in elementele structurale, ca si pentru reducerea valorilor deplasarilor relative de nivel, in cazul cladirii Victor Slavescu au fost efectuate numeroase calcule considerand pe rand, mai multe variante pentru valoarea rigiditatii efective a sistemului izolator, obtinandu-se astfel perioadele cores­punzatoare ale cladirii izolate cuprinse intre

Tizolat = 2,5 sec ÷ 3 sec, cladirea iesind din zona perioadelor predominante ale terenului pe amplasament

Tpredominant = 1,4 sec ÷ 1,6 sec.

Calculul cadrului purtator s-a realizat cu un program de calcul performant: ETABS 8.4.5. Pe baza acestui program s-au calculat starea de eforturi (momente incovoietoare, momente de torsiune, forte taietoare), starea de deformatii si intensitatea reactiunilor pe izolatorii seismici, precum si tasarea reazemelor.
Pentru fiecare ipoteza de rezemare s-au calculat mai multe variante si s-au exclus variantele care au condus la valori mult prea diferentiate pentru reactiuni sau pentru eforturile din bare.

La constructiile existente este necesara o proiectare speciala pentru realizarea cadrului superior (Cs) si a cadrului inferior (Ci) in scopul separarii celor doua corpuri, necesitand stu­dierea mai multor variante deoarece trebuie avute in vedere conditiile particulare ale cladirii existente.

Procedeul a fost brevetat sub nr. 120009/2005, autor conf. dr. ing. Adrian IORDACHESCU.

Analiza cladirii izolate a implicat desfasurarea de calcule dinamic liniare, respectiv ne-liniare de tip time-history, cu integrarea directa a ecuatiilor diferentiale de miscare, pe baza unor accelerograme inregistrate pe amplasamentul INCERC la cutremu­rele din 1977, 1986 si 1990, cu acce­leratia maxima scalata astfel incat sa respecte valoarea ag = 0,24 g in amplasament.

Reducerea eforturilor este de 2,4 ori pentru directia de actiune seismica paralela cu Calea Grivitei, respectiv de aproximativ 2,5 ori pentru directia de actiune seismica perpendiculara pe Calea Grivitei, in conditiile unei perioade de vibratie izolata T = 2,8 sec putandu-se considera cresterea valorilor gradului de asigurare de la

Rtransv = 0,34 la 0,86 pe directie transversala, respectiv de la

Rlong = 0,30 la 0,72 pe directie longitudinala.

Valorile deplasarilor relative de nivel scad aproximativ de 3,5 ori la nivelul etajelor, respectiv de 2,5 ori la nivelul parterului, atat pentru directia de actiune seismica paralela cu Calea Grivitei, cat si pentru directia de actiune seismica perpendiculara pe Calea Grivitei, in condi­tiile unei perioade de vibratie izolata T = 2,8 sec, ajungand sa se inscrie in limitele prevazute de Normativul P100/92. Valorile mentionate sunt obtinute prin utilizarea a 80 de reazeme elastomerice SEP – USA, cu dimensiuni de 700 x 700 x 375 mm, capabile sa asigure deplasari late­rale de 600 mm, precum si a 18 amortizori seismici Taylor Devices USA care pot furniza o forta maxima de 1500 kN, cursa lor fiind de ±500 mm.

Distributia deplasarilor relative de nivel pe verticala arata o miscare ge­nerala de solid-rigid, cu o deplasare generala la nivelul interfetei izolate de aproximativ 15 cm pe directia paralela cu Calea Grivitei, respectiv de 20 cm pentru directia de actiune seismica perpendiculara pe Calea Grivitei, in conditiile montarii de dispozitive mecanice cu rol de disipare energetica – amortizori seismici.

Solutia de consolidare prin „Metoda Izolarii Bazei“ prezinta o serie de avantaje importante fata de varianta de consolidare clasica, printre care:

• institutia nu-si intrerupe activitatea cu publicul, deoarece lucrarile se desfasoara de la cota terenului in jos, in subsolul cladirii;

• pastrarea configuratiei arhitecturale initiale, privind plastica fatadelor si volumetria ei (fara schimbarea dimensiunilor elementelor structu­rale, implicit a constructiei in ansamblu), cladirea fiind declarata monument istoric si de arhitectura;

• durata de executie a lucrarilor de consolidare este mult redusa deoa­re­ce constructorul isi poate desfasura activi­tatea in subsolul cladirii fara a avea dificultati din partea beneficiarului cu eliberarea frontului de lucru.

 

Bibliografie

ATC, 1997, Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, prepared by Applied Technology Council, for Building Seismic Safety Council and Federal Emergency Mana­gement Agency (Report No. FEMA 273), Washington, D.C.

KELLY, J. M., „Earthquake – Resistant Design with Rubber“, Springer – Verlag 1997.

IORDACHESCU, A., „Constructii inteligente”, Reg. Arcadia. 2001.

IORDACHESCU, E.,  „Translatia constructiilor“, Ed. Tehnica, 1986.

PARK, R.; TANAKA, H., „Flexural Strength and Ductility of High-Strength Concrete Columns“, ACI SP-176.

SKINNER, R.I.; ROBINSON, W.H.; McVERRY, G.H., „An introduction to Seismic Isolation”, J. Wiley, 1993.

Structural Engineers Association of California (SEAOC), 1996, General Requirements of the Design and Construction of Seismic – Isolated Structures.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 42 – octombrie 2008

Autori:
Adrian IORDACHESCU
Eugeniu IORDACHESCU
Mihnea CRIHAN
Dragos MOCANU



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/2008/10/30/consolidarea-cladirilor-prin-metoda-izolarii-bazei/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.