Solutii inovative pentru reabilitarea, cu elemente din otel, a structurilor din zidarie si beton armat

Romania este o tara cu un grad ridicat de seismicitate. Inainte de 1963, atunci cand a fost introdus primul standard seismic cu caracter obligatoriu, structurile din beton armat sau zidarie erau dimensionate sa reziste la incarcarile din gruparea fundamentala de incarcari (preponderent incarcari gravitationale, incarcari din vant). Acest lucru face ca, de fapt, aproape toate cladirile dimensionate inainte de aceasta perioada sa necesite o evaluare amanuntita si, cel mai probabil, anumite masuri de consolidare.

Multe dintre cladirile existente, situate in zone cu activitate seismica, construite si proiectate fara respectarea principiilor de proiectare antiseismica si afectate de trecerea anilor, de interventii succesive asupra structurii de rezistenta sau de cutremurele care au avut loc, se gasesc, astazi, intr-o stare avansata de degradare, prezentand un risc seismic ridicat.

Riscul seismic al cladirilor istorice impune implementarea si perfectionarea de noi sisteme, care sa ofere solutii atat la problemele structurale, cat si la cele de ordin arhitectural. Un aspect de mare interes il prezinta posibilitatea de a indeparta usor un sistem de consolidare, atunci cand acest lucru se impune. Aceasta cerinta este satisfacuta, in mare masura, de solutiile de consolidare bazate pe utilizarea elementelor metalice, care pot fi proiectate si realizate astfel incat sa fie reversibile.

Utilizarea materialelor metalice

Datorita formelor variate in care se comercializeaza – profile laminate la cald sau obtinute prin indoire la rece, platbenzi plane sau ampren­tate, sectiuni tubulare, I, H etc. si a gamei ample de caracteristici meca­nice, otelul prezinta o flexibilitate operativa deosebita, in masura sa rezolve majoritatea problemelor de consolidare.

Posibilitatile oferite, in acest sens, sunt numeroase si imbra­tiseaza o gama vasta de operatii, de la o simpla interventie de consolidare, efectuata pe un singur element structural, pana la restaurarea intregului ansamblu structural, cu imbunatatirea raspunsului seismic al structurii.

In zonele seismice, asa cum este teritoriul tarii noastre, problema restaurarii statice a constructiilor devine mai delicata, prin necesitatea de a oferi structurilor o rezistenta suficienta in cazul unor miscari seismice. In acelasi timp, se pune pro­blema unei recuperari rapide si eficiente a cladirii afectate de seism si a refacerii socio-urbanistice a zonei afectate.

In situatia consolidarii structurilor din zidarie sau beton armat, pentru respectarea dezideratelor privind reversibilitatea si exploatarea la maximum a proprietatilor diverselor materiale, o solutie optima o repre­zinta utilizarea elementelor metalice. Acestea au avantaje evidente si anume: claritatea formei, expresivitate figurativa, prefabricate de diverse forme si dimensiuni, rever­sibilitate, rezistenta mecanica ridicata, izotropie mecanica, dimensiuni si greutate reduse, usurinta la transport, punere in opera rapida, mane­vrabilitate in spatii reduse, lucra­bilitate, disponibilitate comerciala, reciclabilitate.

Descrierea soluTiilor de consolidare

Structuri din zidarie

In Europa, cele mai raspandite structuri sunt cele din zidarie. Cladirile din zidarie au diverse functiuni, de la case rezidentiale pana la spitale, scoli sau monumente isto­rice. Din cauza rezistentei scazute, a ductilitatii si capacitatii reduse de deformare, structurile din zidarie au, in general, o comportare necores­punzatoare la actiuni seismice. Avand rigiditate si greutate mare, aceste structuri sunt supuse la forte seismice considerabile.

In cadrul cercetarii, au fost studiate doua solutii inovatoare pentru consolidarea structurilor cu pereti din zidarie. Solutiile au fost investigate in cadrul proiectului UE FP6 PROHITECH.

Prima solutie consta in placarea peretilor de zidarie, pe am­bele parti sau pe o singura parte, cu placi din otel (SSP) sau aluminiu (ASP). Placile metalice sunt prinse cu ajutorul tirantilor pretensionati (PT) sau a ancorelor chimice (CA) (fig. 1).

Ceea de-a doua solutie se bazeaza pe materiale compozite (FRP), si consta in aplicarea unei plase din sarma de otel, zincata sau inoxidabila (SWM), lipita cu rasina epoxidica pe perete de zidarie.

Aceste tehnici de consolidare au fost investigate in situatia aplicarii lor in cazul peretilor de zidarie, dar pot fi folosite si la diafragmele din beton slab armate. Urmarind modul de cedare in plan a panourilor din zidarie (fig. 2), se poate stabili modul de dispunere a sistemului, pentru a obtine un aport maxim la cresterea rezistentei si la imbuna­tatirea comportamentului structurii. Datorita faptului ca solutia este aplicata in premiera, nu sunt de neglijat aspectele tehnolo­gice legate de modul de realizare (fig. 3).

Structuri in cadre din beton armat

In cadrul programului RFCS STEELRETRO a fost studiata o solutie de reabilitare a structurilor in cadre din beton armat, folosind contravantuiri cu flambaj impiedicat (BRB) dispuse in V. Prinderea contravantuirilor disipative de cadrele din beton armat s-a realizat direct, fara introducerea unor elemente interioare aditionale, prin intermediul unor dispozitive mecanice alcatuite din placi de capat prinse de elementul din beton cu ajutorul unor tiranti pretensionati.

Pentru a valida experimental acest sistem de reabilitare, s-a izolat un cadru de b.a. dintr-o cladire reala, proiectata inainte de 1963. Detaliile de armare pentru cadre s-au bazat pe prevederile si practica din acea perioada. Comparativ cu prevederile actuale, acestea sunt considerate neadecvate, deoarece armaturile au o lungime insuficienta de ancoraj, utilizeaza armaturi netede, in loc de armaturi striate, iar distanta dintre etrieri este destul de mare (15 cm la stalpi, 25 cm la grinzi). Au fost construite 4 cadre de b.a., dintre care 2 cadre fara contravantuiri si doua cu contravantuiri, care au fost incarcate monoton si ciclic (fig. 4.a).

Contravantuirea folosita a fost proiectata si executata in cadrul Centrului de Cercetare CEMSIG al Universitatii „Politehnica“ din Timisoara. Aceasta este alcatuita dintr-o platbanda de otel S275 (fy = 275 N/mm2, fu = 400 N/mm2, A% = 34%), introdusa intr-un tub de otel (teava patrata din otel S275, 4 mm grosime), umpluta, apoi, cu beton C40/50. Inima a fost impartita in 3 zone: zona de prindere, zona de tranzitie si zona activa (fig. 4.b). Pentru prevenirea frecarii dintre beton si platbanda de otel, s-a folosit, ca material de interfata, folie de polietilena de 1 mm grosime.

Programul experimental

Investigarea solutiilor de placare a zidariei

Testele experimentale au fost efectuate in laboratorul CEMSIG (director prof. Dan Dubina) din Departamentul de Constructii Meta­lice si Mecanica Constructiilor si in laboratorul CESMAST (director prof. Valeriu Stoian), din cadrul Departamentului de Constructii Civile, Industriale si Agricole, al Universitatii „Politehnica“ din Timisoara.

Activitatea experimentala a inclus: teste de material pe placi din otel si aluminiu, pe sarme zincate si sarme din otel inoxidabil, pe tesaturi meta­lice si pe componente ale zidariei, mortar, caramida; teste pe 42 speci­mene mici (500 mm x 500 mm x 250 mm), in scopul de a calibra conexiunea cu ancore chimice (CA) si tiranti pretensionati (PT); 22 de teste pe specimene mari (1.500 mm x 1.500 mm x 250 mm), in conditii de incarcare monotone si ciclice (fig. 5).

Rezultate experimentale

Modul de cedare, prin forfecare diagonala, a fost observat pentru toate specimenele, atat in conditii de incarcare monotona cat si ciclica. S-au observat fisuri orizontale la partea inferioara a peretelui, impreuna cu zdrobirea coltului opus (fig. 6).

Toate aceste mecanisme de cedare demonstreaza ca sistemele de consolidare au fortat peretele din zidarie sa-si activeze intreaga sa capacitate portanta si de deformare.

Sunt prezentate sintetic, in Figura 7, curbele experimentale parametrizate triliniare, cu cele trei puncte cheie in comportarea pere­telui, si anume, punctul elastic, maxim si ultim.

Solutiile de consolidare propuse SWM sunt o alternativa la tehnologia de consolidare bazata pe utilizarea FRP, insa permit cresterea ductilitatii fara a creste rigiditatea peretelui. S-a ajuns la concluzia ca placile metalice (SP) duc, in principal, la cresterea ductilitatii, in timp ce tesaturile de sarma (WM), cresc rezistenta.

Ambele tehnici sunt mai eficiente atunci cand sunt aplicate pe ambele fete. Prinderea cu tiranti pretensi­onati pare a fi mai eficienta iar spe­cimenele consolidate cu placi din aluminiu (ASP) au demonstrat un comportament mai bun. Sistemele propuse de consolidare au fost confirmate.

Investigarea solutiilor

de contra­vantuire a cadrelor din b.a.

Figura 8.a prezinta curba forta-deplasare pentru cadrul initial de b.a., in comparatie cu cadrul reabilitat cu sistemul BRB. Eficienta reabi­litarii seismice a cadrului de b.a. este confirmata de cresterea rigiditatii si a rezistentei.

Pentru incercarile ciclice s-a aplicat protocolul de incarcare ECCS. Acest protocol a fost adaptat prin folosirea unui singur ciclu de incarcare la Dy/4, 2xDy/4, 3xDy/4 si Dy, urmat de trei repetari ale ciclurilor crescute cu 0,5Dy (1,5Dy, 2Dy).

In Figura 9.a se prezinta curbele forta-deplasare pentru cadrul de b.a., inainte si dupa reabilitare. Se poate observa contributia, in termeni de rezistenta, rigiditate si ductilitate, a sistemului de contravantuiri.

In urma incercarii ciclice pe cadrul de b.a. reabilitat cu contravantuiri BRB, deplasarea ultima Du corespunde cedarii contravantuirii la intindere iar deplasarea de curgere Dy corespunde modificarii bruste a rigiditatii elastice. Astfel, Dy are valorile de 11 mm si respectiv 20 mm (fig. 12.a). Pe baza valorilor obti­nute, factorul de comportare q, pentru cadrul de b.a. reabilitat cu sis­temul CFI, are o valoare de 4,2. Totusi, pentru o mai buna estimare a factorului q, s-a considerat si metoda propusa de ECCS pentru obtinerea deplasarii de curgere.

Pentru definirea infasuratorii, s-au utilizat rezultatele obtinute in cel de-al treilea ciclu. Deplasarea ultima Du a fost calculata similar cu cazul precedent. Pe baza acestor valori ale deplasarii de curgere si ale celei ultime, factorul de comportare q are o valoare de 3,7.

Simularile numerice. Modele de calcul

Modelarea numerica a solutiilor de placare a zidariei

Posibilitatea de a calibra si pro­iecta o solutie de consolidare bazata pe placarea peretilor din zidarie cu una dintre metodele descrise mai sus este limitata, deoarece, pana in prezent, nu exista prevederi normative specifice sau metodologii de calcul pentru acest tip de intreventie sau pentru altele similare. Prin urmare, proiectarea solutiei se poate baza pe incercarile experimentale sau pe modele avansate cu element finit, capabile sa simuleze comportamentul real al sistemului compus zidarie-otel.

Pentru modelarea numerica a solutiei de consolidare, in vederea stabilirii criterilor de performanta, a fost folosita o abordare bazata pe modelarea zidariei ca material omo­gen cu fisura distribuita (macro-mo­delare), iar prinderile au fost reprezentate printr-un sir de legaturi interioare si un resort ce respecta comportarea reala determinata experimental (fig. 11).

Simularile numerice pentru elementul neconsolidat si cel consolidat cu ajutorul placilor metalice prinse au aratat o foarte buna corelare cu rezultatele experimentale (fig 12).

Pe baza modelelor numerice create printr-un studiu parametric poate fi efectuata „experimentarea numerica“ in masura sa stabileasca nivele de performanta pentru un panou din zidarie consolidat si neconsolidat, bazate pe determi­narea deformatiei specifice plastice. Figura arata stabilirea nivelelor de performanta pentru un perete necon­solidat si consolidat, si aplicarea acestora pentru evaluarea unei cladirii reale, necosolidata si consolidata (fig. 13).

Modelarea numerica a cadrelor din beton, echipate cu contravantuiri

cu flambaj impiedicat

Rezultatele experimentale obtinute la incercarile in regim monoton si ciclic, pe cadre din beton cu si fara contravantuiri cu flambaj impiedicat, au permis calibrarea unor modele numerice cu element finit (fig. 14), capabile sa extinda rezultatele la alte structuri similare sau sa poata fi utilizate in analizele statice sau dinamice pentru determinarea raspunsului sub actiuni seismice. Astfel, structura din care s-a extras cadrul din beton incercat experimental a fost supusa unui numar de 7 accelerograme compatibile cu spec­trul de proiectare, pentru a i se determina raspunsul printr-o analiza dinamica neliniara (fig. 15). Pentru fiecare accelerograma, a fost crescuta intensitatea seismica pana la atingerea stadiului limita.

In Figurile 16 si 17 este prezentata variatia driftului relativ de nivel cu multiplicatorul accelerogramei pe cele doua directii principale ale cladirii. Se observa o comportare corespunzatoare la o acceleratie egala cu cea de proiectare (l = 1), colapsul structurii inregistrandu-se, in general, peste valori ale lui l = 1,3. Pe baza acestor rezultate se poate evalua si valoarea factorului de reducere q, obtinut ca raport intre acceleratia elastica si cea ultima. Valoarea medie obtinuta, pentru fiecare directie principala, este 4,3 (transversal) si respectiv, 3,9 (longitudinal).

Concluzii

Solutiile de consolidare au fost investigate complet in cadrul Facul­tatii de Constructii din Timisoara, pornind de la conceperea lor, stabilirea modalitatilor tehnologice de punere in opera, derularea programului experimental si de simulare numerica, cu sprijinul finantarii a doua programe de cercetare euro­pene, si anume FP6 PROHITECH si RFCS Steelretro.

Rezultatele acestor proiecte s-au concretizat prin doua teze de doctorat si anume, „Seismic retrofitting techniques based on metallic materials of RC and/or masonry buildings“ a d-lui dr. ing. Adrian Dogariu si „Dual frame systems of buckling restrained braces“ a d-lui dr. ing. Sorin Bordea.

Toate solutiile de consolidare si-au dovedit eficienta si se preteaza pentru aplicarea lor, in conformitate cu principiile proiectarii bazate pe criterii de performanta.

Bibliografie

[1] Dogariu, A., Seismic retrofitting techniques based on metallic materials of RC and/or masonry buildings, teza de doctorat, Ed. Politehnica, Timisoara 2009;

[2] Bordea, S., Dual frame systems of buckling restrained braces, teza de doctorat. Ed. Politehnica, Timisoara, 2010;

[3] *** ABAQUS – Version 6,5 Documentation, 2004;

[4]  Dogariu A. & DubinA D., Performance based seismic evaluation of a non-seismic masonry building of metal sheathed walls – Part 1: PBSE and intervention strategy, Protection of historical buildings, PROHITECH 09 (Mazzolani), ISBN 978-0-415-55803-7, p. 1009-1014 9,2009;

[5]  Dogariu A. & Dubina D., Performance based seismic evaluation of a non-seismic masonry building of metal sheathed walls – Part 11: Study case, Protection of historical buildings, PROHITECH 09 (Mazzolani), ISBN 978-0-415-55803-7 p. 1015-1020, 2009;

[6]  Dogariu A. & Dubina D., Campitiello F. & De Matteis G., Experimentally based calibration of a FE Model for numerical analysis of masonry shear panels strengthened by metal sheathing, Protection of historical buildings, PROHITECH 09 (Mazzolani), ISBN 978-0-415-55803-7, p. 1133-1138, 2009;

[7] Dogariu A., Bordea S., DubinA D., Behavior model for post-tensioned bolted RC frame – steel brace connection, Urban Habitat under Catastrophic Events (proceedings) – Mazzolani (Ed.), Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-60685-1, 2010;

[8] Bordea S., Stratan A., Dogariu A., DubinA D., Seismic upgrade of non-seismic RC frames using steel dissipative braces, COST 26 – Urban Habitat Construction under Catastrophic Events – Proceedings of Workshop in Prague, ISBN 978-80-01-03583-2, p. 211-220, 2007;

[9]  Grecea D., Bordea S., Stratan A., Dogariu A., Dubina D., Modern solutions for strengthening and rehabilitation of buildings located in seismic areas, Steel structures located in seismic areas, ed. Horizons University, ISBN 978-973-638-377-9, 2008;

[10] Dogariu, A., Munteanu, N., Bordea, S., DAescu, C., Diaconu, D., Demeter, L, FloruT, C., Studiu experimental al unei solutii de consolidare a zidariei, Sesiunea Nationala de Comunicari Stiintifice Studentesti, Cluj Napoca, 2007;

[11] Bordea, S., Stratan, A., Dogariu, A., Dubina, D., Performance of noseismic reinforced concrete frame retrofitted with bracing systems, – Summer School „Advanced studies in structural engineering and CAE“, Weimar, Germany, 2006;

[12] Dinu, F., Bordea S., DubinA, D., High strength steel dual frames with Buckling Restrained Braces, EUROSTEEL, Graz, 2008. 

*** Lucrarea a fost prezentata in cadrul celei de-a XIII-a Conferinte Nationale de Constructii Metalice, Bucuresti, 21-22 noiembrie 2013 si publicata in vol. Tendinte actuale in ingineria structurilor metalice, ISBN 978-973-100-306-1, pag. 273-282.

Autori:
conf. dr. ing. Adrian DOGARIU,
prof. dr. ing. Florea DINU,
prof. dr. ing. Dan DUBINA – Universitatea Politehnica Timisoara 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 111 – ianuarie-februarie 2015, pag. 30