«

»

Structuri in cadre multietajate cu elemente din otel de inalta rezistenta, pentru cladiri amplasate in zone seismice*

Share

(*) Lucrare prezentata in cadrul celei de a XIII-a Conferinte Nationale de Constructii Metalice, Bucuresti, UTCB, 21-22 noiembrie 2013 

RC_iunie_interior_Page_28_Image_0003Structurile in cadre multietajate, cu elemente din otel de inalta rezistenta, pentru cladiri amplasate in zone seismice, reprezinta o solutie inovativa in domeniul proiectarii antiseismice din Europa.

Solutia „dual-steel“, care foloseste oteluri ductile pentru elementele disipative si oteluri de inalta rezistenta pentru elementele nedisipative, poate conduce la structuri eficiente caracterizate de o siguranta ridicata. Deoarece normele actuale de proiectare antiseismica nu trateaza aceste configuratii, a fost desfasurat un amplu proiect de cercetare european (HSS-SERF – High Strength Steel in Seismic Resistant Building Frames), cu scopul de a investiga si evalua performanta seismica a cadrelor realizate in solutie „dual-steel“. Lucrarea de fata descrie, succint, proiectul de cercetare (partenerii implicati, obiective si activitatile de cercetare desfasurate).

 

Proiectul de cercetare „HSS-SERF“ – High Strength Steel in Seismic Resistant Building Frames, este un proiect european finan­tat de Fondul de Cercetare pentru Carbune si Otel, coordonat de Universitatea Politehnica Timisoara, in perioada iulie 2009 – iunie 2013.

Parteneriatul proiectului a fost alcatuit din doi producatori de otel, un centru de cercetare, o firma de proiectare si sase universitati: Universitatea Politehnica din Timisoara, (coordonatorul proiectului); VTT (Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus), Finlanda; Universitatea din Ličge, Belgia; Universitatea din Stuttgart, Germania; Universitatea din Napoli „Federico II“, Italia; Universitatea din Ljubljana, Slovenia; GIPAC (Gabinete de Informática e Projecto Assistido por Computador Lda.), Portugalia; RUUKKI (Rautaruukki Oyj), Finlanda; RIVA Acciaio S.p.A, Italia; Universitatea din Pisa, Italia.

 

Obiective

Scopul proiectului HSS-SERF a fost de a investiga si evalua performanta seismica a cadrelor realizate in solutie „dual-steel“, si anume combinatia intre doua marci de otel diferite: otel carbon si otel de inalta rezistenta. Aceste tipuri structurale realizate in solutie „dual-steel“, care folosesc otel carbon (mai ductil) pentru elementele disipative si otelurile de inalta rezistenta pentru elementele nedisipative, pot duce la structuri caracterizate de siguranta ridicata si de eficienta economica. Principalele obiective din cadrul proiectului au fost:

  • Identificarea unor tipologii structurale (cadre necontravantuite, cadre contravantuite centric, cadre contravantuite excentric) caracterizate de o siguranta ridicata si a solutiilor de detaliere a imbinarilor pentru cadre realizate in solutie „dual-steel“, precum si validarea acestora prin incercari experimentale si simulari numerice;
  • Elaborarea unor criterii si meto­de de proiectare bazate pe performanta, pentru cadre realizate in solutie „dual-steel“;
  • Recomandarea unor parametri de proiectare (factori de comportare, factori de suprarezistenta) pentru a fi implementati in versiunile viitoare ale normelor de proiectare seismica (EN 1998-1 [1]), cu scopul de a aplica proiectarea bazata pe capacitate pentru cadrele de tip „dual-steel“;
  • Evaluarea eficientei tehnice si economice a solutiei „dual-steel“ care implica utilizarea otelurilor de inalta rezistenta.

Principalele rezultate ale proiectului sunt metodele coerente de proiectare bazate pe performanta si criteriile de proiectare pentru ductilitate si suprarezistenta a elementelor si a componentelor nodurilor, precum si regulile si solutiile de alcatuire si calcul al nodurilor.

 

Activitati si rezultate

Principalele activitati de cerce­tare au fost impartite in mai multe pachete de lucru (WP). Iata o scurta prezentare a lor si a rezultatelor obtinute.

 

Selectarea tipologiilor structurale si proiectarea cadrelor in solutie „dual-steel“ (WP1)

In cadrul WP1 au fost proiectate 18 cadre multietajate, obtinute prin combinarea a trei tipuri de structuri (cadre necontravantuite, cadre duale contravantuite centric si cadre duale contravantuite excentric, Fig. 1), trei tipuri de stalpi compusi otel-beton (complet inglobati, partial inglobati si tubulari) si doua marci de otel de inalta rezistenta (S460 si S690). Elementele disipative (grinzile cadrelor necontravantuite, contravantuirile cadrelor contravantuite centric etc.) au fost, in toate cazurile, din S355. Performanta seismica a acestora a fost verificata apoi printr-un calcul static neliniar. Cadrele proiectate au servit la stabilirea dimensiunii spe­cimenelor experimentale, pentru incercarile pe noduri grinda-stalp.

Au fost studiate atat noduri grinda-stalp cu suruburi (fig. 2), cat si noduri sudate (fig. 3). Nodurile cu suruburi au fost analizate si incercate experimental la Universitatea din Ličge, fiind de trei tipuri: (a) cu stalp dublu T, partial inglobat in beton si imbinare cu placa de capat ranforsata; (b) cu stalp tubular umplut cu beton si imbinare cu placa de capat ranforsata si (c) cu stalp tubular umplut cu beton si imbinare cu placa de capat si suruburi lungi.

La Universitatea din Ljubljana au fost studiate nodurile sudate, cu stalpi complet inglobati in beton si imbinarea intarita prin eclise sau rigidizari.

La Universitatea Politehnica Timisoara au fost analizate nodurile sudate cu stalpi tubulari umpluti cu beton si guler, si imbinari cu grinda cu sectiune redusa si eclise.

 

Evaluarea performantei seismice a cadrelor tipice, realizate in solutie dual-steel (WP2)

In cadrul WP2 s-a efectuat un studiu parametric asupra unui set extins de cadre tipice realizate in solutie „dual-steel“. Pe langa parametrii considerati in WP1 (tipul structurii, tipul de stalp si marca otelurilor de inalta rezistenta), au mai fost considerati urmatorii parametri: deschiderea (5 m si 7,5 m), regimul de inaltime (4 si 8 nivele pentru cadrele necontravantuite, respectiv 8 si 16 nivele pentru cele duale) si tipul de miscare seismica (corespunzatoare unui teren tare, cu perioada de colt Tc = 0,6 sec, respectiv unui teren moale, cu perioada de colt de Tc = 1,6 s). Au rezultat un set de 120 de cadre, a caror performanta seismica a fost evaluata folosind calculul static neliniar si dinamic neliniar.

In plus, s-a determinat cerinta de ductilitate si suprarezistenta, precum si factorii de comportare q asociati diferitelor niveluri de performanta.

Proiectarea cadrelor necontra­vantuite cu noduri rigide (MRF) a fost guvernata de conditii de rigiditate. Ca urmare, utilizarea otelului de inalta rezistenta nu s-a dovedit eficienta. Totusi, utilizarea otelului de inalta rezistenta in elementele nedisipative a promovat un meca­nism plastic global. Per ansamblu, cadrele MRF au avut o performanta seismica adecvata la toate starile limita, caracterizata de cerinte mici de ductilitate. Ca urmare, tipul de miscare seismica nu a afectat semnificativ raspunsul structurii.

In cazul structurilor contravan­tuite centric in V inversat (CBF) si a celor Duale D-CBF, otelul de inalta rezistenta s-a dovedit eficient, in special la stalpi. Cu toate ca grinzile din cadrele contravantuite sunt ca­racterizate de cerinte ridicate de rezistenta, nu se recomanda adop­tarea unor oteluri cu limita de curgere ridicata, deoarece rezulta grinzi mai putin rigide, care conduc la solicitari ridicate in contravantuirile comprimate si la o contributie redusa a celor intinse. Factorii de comportare au rezultat mai mari la structurile duale, iar terenul slab a avut o influenta negativa asupra performantei structurale.

In cazul cadrelor contravantuite excentric (EBF) si a celor Duale (D-EBF), utilizarea otelurilor de inalta rezistenta s-a dovedit conve­nabila la stalpi, dar si la contravantuiri. Cu toate ca link-urile pot dezvolta deformatii plastice importante, in multe cazuri ductilitatea acestora nu a putut fi exploatata la maximum din cauza flambajului contravantuirilor. In consecinta, s-au propus reguli imbunatatite de proiectare, care sa previna acest fenomen. Configuratiile duale au avut o performanta seismica superioara, prin uniformizarea cerintelor de ductilitate pe inaltimea structurii si reducerea cerintelor de ductilitate, in special in cazul structurilor ampla­sate pe teren moale.

Calificarea sudurilor pentru cerinta de ductilitate si rezistenta (WP3)

Principalele sarcini din WP3 au cuprins studiul pe cale experimentala al detaliilor de sudura si al elementelor de tip T-stub (fig. 5), interpretarea si evaluarea rezultatelor, precum si elaborarea specificatiilor pentru procedurile de sudare, in vederea utilizarii lor la fabricarea ansamblelor de noduri grinda-stalp.

La Universitatea din Stuttgart au fost efectuate 152 de incercari pe detalii de sudura, urmarindu-se influenta urmatorilor parametri: tipul de otel (S460 / S690), materialul de adaos (G46 / G69), tipul de sudura (de colt si cu patrundere completa), tipul de solicitare (monotona si ciclica) si viteza de incarcare (0,00025 s-1, 0,06 s-1, 0,12 s-1). Soli­citarea dinamica a condus la o crestere a rezistentei si o diminuare a ductilitatii fata de cea quasi-statica, iar solicitarea ciclica a condus la reducerea ductilitatii fata de cea monotona. Incercarile experimentale au validat procedura de sudare adoptata, cedarea producandu-se in materialul de baza in toate cazurile. Este de mentionat ca sudurile de colt au fost dimensionate conform cerintelor de suprarezistenta din EN 1998-1 [1].

Incercarile pe elemente de tip T-stub au avut drept scop studiul componentelor imbinarilor cu suruburi din otel de inalta rezistenta. Au fost investigate 86 de elemente de tip T-stub nerigidizate, rigidizate, afe­rente unor stalpi chesonati si suru­buri lungi (fig. 5b). Modul de cedare proiectat a fost modul 2, conform EN 1993-1-8 [2], care conduce la un compromis rezonabil intre rezistenta si ductilitate.

Incercari experimentale pe noduri grinda-stalp cu suruburi (WP4)

Au fost dezvoltate si investigate trei tipuri de imbinari grinda-stalp:

  • (1) cu stalp chesonat umplut cu beton si imbinare cu placa de capat si suruburi lungi, si grinda cu sectiune redusa;
  • (2) cu stalp chesonat umplut cu beton si imbinare cu placa de capat ranforsata si
  • (3) cu stalp dublu T, partial inglobat in beton si imbinare cu placa de capat ranforsata (fig. 2).

Parametrii incercarilor experimentale au fost: marca de otel de inalta rezistenta din stalp (S460 / S700); procedura de incarcare (monotona / ciclica) si modul de cedare (grinda / imbinare).

Incercarile experimentale efectuate la Universitatea din Ličge si au demonstrat o comportare histeretica stabila, cu deformatii plastice in grinda, in zona adiacenta imbinarii. Pe langa incercarile experimentale, s-au intreprins si studii numerice si analitice, dezvoltandu-se relatii de calcul pentru componentele noi, care nu exista in acest moment in EN 1993-1-8 [2]. In cazul stalpilor chesonati, umpluti cu beton si imbinare cu placa de capat si suruburi lungi, cele din urma au un rol dublu: realizarea imbinarii dintre grinda si stalp si asigurarea conexiunii dintre otel si beton. Pentru studiul acestui din urma fenomen, s-au efectuat incercari specifice (fig. 7).

Incercari experimentale asupra nodurilor grinda-stalp sudate (WP5)

Incercarile experimentale pe noduri grinda-stalp sudate s-au derulat la Universitatea din Ljubljana si la Universitatea Politehnica din Timisoara. Principalele sarcini au cuprins incercari experimentale pe noduri sudate cu rigidizari si placi pe talpa, pentru care stalpii sunt realizati din profile inglobate in beton (fig. 3a) si noduri sudate cu sectiunea redusa a grinzii si cu placi pe talpa, pentru care stalpii sunt din profile tubulare rectangulare umplute cu beton (fig. 3b).

In cazul seriei de incercari pe noduri sudate cu stalpi complet inglobati in beton (fig. 3a si 8) s-a studiat, experimental si numeric, influenta urmatorilor parametri: a ti­pului imbinarii (cu rigidizari si cu eclise); a marcii otelului de inalta rezistenta (S460 si S690); a procedurii de incercare (ciclica cu amplitudine variabila si constanta) si a nivelului fortei axiale. Au rezultat un numar de 16 specimene, incercarile demonstrand ca obiectivul impus la proiectare (de a preveni deformatii plastice sau orice alta forma de cedare in imbinarea sudata) a fost atins. Cedarea s-a produs intotdeauna in grinda. Nodurile au demonstrat capacitati de deformatii plastice la solicitari ciclice de peste 0,035 rad. Stalpii complet inglobati au avut o comportare quasi-elastica, iar nivelul de forta axiala din stalpi a influentat nesemnificativ performanta imbinarii. Incercarile experimentale si studiile numerice reali­zate au permis elaborarea si validarea unei proceduri simple de proiectare a nodurilor.

In cazul celei de-a doua serii de incercari experimentale (fig. 3b si 9), au fost considerate doua tipuri de imbinari sudate: cu sectiunea redusa a grinzii (fig. 9a) si cu eclise pe talpa (fig. 9b). Au fost investigate un numar de 16 ansamble de noduri grinda-stalp la scara reala, variind parametri precum: regimul de incarcare (monoton, ciclic), tipul imbi­narilor (sectiunea redusa, placi pe talpa), marca otelului din stalp (S460, S700) si modul de cedare (grinda, imbinarea).

Considerand cele doua tipuri de imbinari si cele doua marci de otel, au fost proiectate un numar de patru noduri grinda-stalp. Aditional, pentru evaluarea suprarezistentei imbinarii si pentru a observa componentele de baza ale nodurilor, au fost conside­rate incercari experimentale asupra nodurilor echivalente pentru care au fost intarite grinzile, cu scopul de a evita formarea articulatiei plastice in grinda si pentru a forta dezvoltarea deformatiilor plastice in zona de imbinare.

Incercarile experimentale au aratat o buna conceptie si pro­iectare a nodurilor, justificate de raspunsul elastic al zonei de imbinare si formarea articulatiei plastice in grinda. Nodurile au fost caracterizate de o suprarezistenta semnificativa iar pe baza incercarilor in regim ciclic, nodurile au evidentiat capacitati de rotire de 50 mrad (in cazul grinzii cu sectiune redusa) si respectiv 40 mrad (eclise pe talpi). In plus, au fost efectuate sase incercari experimentale pentru studiul conexiunii dintre otel si beton in cazul sectiunilor tubulare umplute cu beton, conexiunea realizandu-se prin bolturi impuscate (fig. 10). S-au variat parametri precum: regimul de incar­care (monoton si ciclic), tipul de conexiune (frecarea dintre otel si beton, respectiv frecarea in combinatie cu utilizarea conectorilor de tipul bolturilor impuscate), si marca otelului (S460, S700).

Unul dintre obiective l-a repre­zentat evaluarea eficientei conectorilor in asigurarea conexiunii dintre cele doua materiale (otel si beton) la transferul incarcarilor aplicate in regim monoton si ciclic. Rezultatele incercarilor expe­rimentale au aratat ca efortul unitar tangential dezvoltat la interfata dintre otel si beton a fost de 0,4 N/mm, valoare egala cu cea recomandata de EN 1994-1-1 [3] pentru tevile de forma rectangulara. Conectorii au pus in evidenta o capacitate semnificativa la transferul incarcarilor de la otel la beton, atat sub incarcari in regim monoton cat si in regim ciclic.

Ghid pentru proiectarea cadrelor „dual-steel“ sub actiuni seismice (WP6)

WP6 a cuprins elaborarea unui ghid pentru proiectarea cadrelor „dual-steel“ sub actiuni seismice. Principalele sarcini au cuprins procedurile de proiectare si solutiile de detaliere pentru imbinari si noduri grinda-stalp, metode si criterii de proiectare pentru cadrele necontravantuite, cadrele contravantuite centric si cadrele contravantuite excentric.

 

Evaluarea eficientei tehnice si economice a solutiei „dual-steel“ (WP7)

WP7 a cuprins evaluarea eficien­tei tehnice si economice a cadrelor realizate in solutie „dual-steel“, comparativ cu solutia traditionala. Principalele sarcini au cuprins evaluarea eficientei tehnice si economice a cadrelor necontravantuite, a cadre­lor contravantuite centric si a ca­drelor contravantuite excentric.

 

Concluzii

Lucrarea a prezentat principalele activitati intreprinse si rezultate obtinute in cadrul proiectului european „HSS-SERF“ – High Strength Steel in Seismic Resistant Building Frames, coordonat de catre Universitatea Politehnica din Timisoara. Proiectul s-a desfasurat pe o perioada de patru ani si a implicat zece parteneri europeni. In cadrul proiectului s-a analizat posibilitatea utilizarii otelului de inalta rezistenta la structurile multietajate amplasate in zone seismice, prin adoptarea unei solutii „dual-steel“, care presupune adoptarea otelului de inalta rezistenta (S460 pana la S700) in elementele nedispative si a otelului carbon conventional (S235 pana la S355) in elementele disipative.

In prezent, normele de proiectare antiseismica limiteaza utilizarea otelului de pana la S355 in structurile amplasate in zone seismice. Pentru a raspunde provocarii legate de aceasta solutie inovativa, s-a intreprins un vast studiu numeric, analitic si, in special, experimental, care a analizat problema pornind de la nivel de structura, trecand prin nivelul de subansamble (noduri grinda-stalp) si terminand cu nivelul de detaliu (imbinari cu suruburi, tehnologie de sudare). Simularile numerice efectuate pe trei tipuri de structuri (cadre necontravantuite cu noduri rigide, cadre contravantuite centric si cadre contravantuite excentric) au permis identificarea componentelor structurale pentru care utilizarea otelului de inalta rezistenta sa fie eficienta (stalpii cadrelor contravantuite centric si excentric).

Au fost concepute mai multe solutii inovative de imbinari grinda-stalp: trei cu suruburi si patru sudate. Toate au parcurs un drum complet, de la alcatuire, la dezvoltarea unui model de calcul, verificarea performantei prin simulari numerice si validarea acesteia prin incercari experimentale. Au fost dezvoltate proceduri de sudare pentru componente de tip „dual-steel“, ve­rificate printr-un amplu program experimental. Ca urmare, au fost create toate premisele pentru utilizarea la o scara mai larga a otelurilor de inalta rezistenta la structurile multietajate amplasate in zone seismice.

Activitatile de cercetare care au condus la rezultatele prezentate in lucrare au fost finantate de Fondul Comunitatii Europene pentru Carbune si Otel (RFCS) prin acordul de finantare numarul RFSR-CT-2009-00024 „High strength steel in seismic resistant building frames“.

 

Bibliografie

[1] EN1998-1, Eurocode 8, Design of structures for earthquake resistance – Part l, General rules, seismic actions and rules for buildings, CEN, European Committee for Standardization, 2004;

[2] EN 1993-1-8, Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, European Committee for Standardization, 2005;

[3] EN 1994-1-1, Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, European Committee for Standar­dization, 2004.

Autori:
prof. dr. ing. Dan DUBINA,
conf. dr. ing. Aurel STRATAN,
dr. ing. Cristian VULCU,
conf. dr. ing. Adrian CIUTINA – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii
 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 115 – iunie 2015, pag. 28

 



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/2015/06/01/structuri-in-cadre-multietajate-cu-elemente-din-otel-de-inalta-rezistenta-pentru-cladiri-amplasate-in-zone-seismice/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.