«

»

Conceptia structurala si proiectarea pe baza controlului mecanismului de cedare a structurilor multietajate supuse la actiuni accidentale (*)

Share

dinu - mecanismul de cadare fig 1Proiectul de cercetare cu titlul „Conceptia structurala si proiectarea pe baza controlului mecanismului de cedare a structurilor multietajate supuse la actiuni accidentale“, se desfasoara in cadrul Programului PN II Parteneriate. Programul a inceput in anul 2012 si se incheie in anul 2015.

Cele cinci institutii partenere in cadrul proiectului sunt Universitatea Politehnica Timisoara, in calitate de coordonator, Universitatea Tehnica din Cluj Napoca, Urban INCERC Filiala Cluj Napoca, INCD Insemex Petrosani si ACI Cluj SA in calitate de parteneri.

Programul de cercetare are ca obiectiv principal dezvoltarea unor prevederi de calcul si alcatuire pentru reducerea riscului de cedare a cladirilor in cazul producerii unor actiuni accidentale. Cercetarile cuprind analize teoretice, studii numerice si incercari experimentale realizate pe elemente si subansambluri de structuri pentru cladiri in cadre multietajate.

 

Structurile pentru cladiri pot fi supuse, de-a lungul duratei lor de viata, la o varietate mare de actiuni. Proiectarea si executia cladirilor trebuie sa tina cont, insa, de faptul ca unele dintre aceste solicitari pot atinge valori extrem de mari, cu mult peste cele considerate in calcul. In asemenea situatii, cladirile trebuie sa fie capabile sa preia aceste solici­tari, fara sa sufere avarii majore, pentru a proteja viata ocupantilor si a echi­pelor de interventie si pentru a reduce pagubele materiale.

Un exemplu in acest sens este dat de exploziile de gaze produse in cladirile de locuinte din cauza unor defectiuni sau a utilizarii necores­punzatoare a instalatiilor. In astfel de situatii, structura de rezistenta poate fi grav avariata, ceea ce poate conduce la cedari partiale sau totale, cum a fost cazul cladirii Ronan Point, din Londra, in anul 1968 (fig. 1.a) sau, mai recent, a unui bloc de locu­inte din Zalau, in anul 2007 (fig. 1.b).

Un caz special este cel al explo­ziei de gaz dintr-o cladire publica din Sighetul Marmatiei, din data de 19.02.2012, atunci cand s-au produs explozii succesive si a fost pusa in pericol si viata echipelor de interventie (fig. 2). Prima explozie s-a produs din cauza acumularii de gaze intr-una dintre incaperile cladirii. Ulterior, in dimineata aceleiasi zile, a avut loc o alta explozie intr-un spatiu situat in acelasi imobil. Evenimen­tele produse s-au soldat cu accidentarea a 21 de persoane, dintre care 17 spitalizate (ulterior, inregis­trandu-se un deces) si cu pagube materiale importante (distrugerea imobilului in proportie de 75%).

Cauza primei explozii a constituit-o aprinderea amestecului infla­mabil gaz metan – aer de aproximativ 20 m3, la limita inferioara de explo­zivitate, urmata de o destindere de aproximativ sase ori a gazelor rezultate, adica un volum final de cca. 120 m3 gaze de ardere. In urma reactiilor de ardere, la nivelul spatiului s-a creat o suprapresiune care a actionat asupra elementelor cladirii (fig. 3).

Cea de-a doua explozie s-a produs in timpul inspectiei efectuate de echipele de interventie (fig. 4). Concluziile au scos la iveala numeroase probleme ce pot servi ca lectii pentru viitor, cum ar fi nerespectarea nor­melor tehnice pentru proiectarea si executarea sistemelor de alimentare cu gaze naturale, acoperirea cu asfalt a aerisitoarelor de pe aliniamentul traseului gazului, masurarea defectuoasa a concentratiilor de metan in timpul cercetarii primului eveniment, retinerea mercaptanului in sol, fapt ce a facut ca gazul metan care a patruns in incaperile imobilului sa nu poata fi sesizat olfactiv de catre victime.

Pe langa exploziile de gaze, se mai pot enumera aici solicitarile de tip impact, explozii externe, incendii, cedari de reazeme, dar si greseli de proiectare sau executie, schimbarea destinatiei, deteriorarea in timp a materialelor sau a prinderilor elementelor structurale etc. Cutremurul poate intra, de asemenea, in aceasta categorie, deoarece poate fi urmat de incendii prelungite, cum a fost cazul cutremurului de la Kobe, din 1995. Unele dintre aceste evenimente extreme se pot produce simultan sau la un interval mic de timp, cum ar fi, de exemplu, cazul turnurilor WTC, in 2001, atunci cand impactul initial a fost urmat de explozie si apoi, de incendiu.

Luarea in considerare a tuturor scenariilor posibile la proiectarea cladirilor este o sarcina dificila, deoarece nu se poate estima cu precizie tipul de solicitare extrema, modul si frecventa de producere sau intensitatea maxima. In astfel de cazuri, chiar daca structura a fost proiectata sa reziste la anumite situatii extreme, nu poate fi garantata o comportare corespunzatoare la alte situatii extreme. Se poate obser­va, deci, ca proiectarea structurii pe baza unor solicitari predefinite nu poate garanta un nivel corespunzator al robustetii structurii.

Normele nationale sau europene actuale contin cateva prevederi care iau in considerare faptul ca, pe durata de viata a constructiei, se pot produce anumite accidente. Astfel, conform prevederilor din EN 1990 [1], rezistenta structurii poate fi asi­gurata prin urmatoarele mijloace:

(i) eliminarea sau reducerea proba­bilitatii de producere a unei actiuni extreme (hazard);

(ii) selectarea unei forme structurale cu sensibilitate redusa la o actiune extrema;

(iii) selectarea unui sistem struc­tural si a unei metodologii de proiec­tare care sa reduca riscul de cedare a unui element sau a unei parti din structura;

(iv) evitarea folosirii sistemelor structurale fara redundanta sau cu redundanta redusa, care pot ceda din cauza ca nu pot asigura o redistribuire a eforturilor;

(v) asigurarea unei conlucrari la nivelul structurii si prevederea unor legaturi adecvate intre elementele structurale.

Toate aceste masuri sunt gandite sa asigure o robustete suficienta, care sa permita structurii sa supravietuiasca in cazul producerii unor actiuni extreme. Problema principala consta in asigurarea, cu un grad rezonabil de incredere, a unei eficacitati reale a acestor masuri.

Pe plan mondial au fost facute numeroase cercetari in scopul imbunatatirii rezistentei cladirilor la actiuni extreme. Una dintre meto­dele noi dezvoltate este cea care se bazeaza pe controlul mecanismului de cedare si tine cont de faptul ca anumite evenimente extreme pot cauza avarii locale semnificative, care se pot propaga la nivel global si pot produce colapsul structurii. Aplicarea unui astfel de concept de proiectare poate sa asigure o robustete ridicata la orice solicitare cu caracter extrem care scoate din lucru anumite elemente structurale.

Proiectul de cercetare CODEC are ca obiectiv principal dezvoltarea unei metodologii bazate pe controlul mecanismului de cedare, care sa poata fi folosita la proiectarea structurilor in cadre pentru cladiri.

Cercetarile cuprind studii teore­tice si numerice dar si un amplu program experimental pe materiale, detalii de imbinare si subansamble. In lucrare se prezinta rezultatele partiale obtinute in cadrul proiectului si concluziile analizelor numerice.

 

Studii privind robustetea cladirilor la actiuni extreme

Structurile pentru cladiri trebuie sa fie proiectate astfel incat sa previna producerea si extinderea avariilor cauzate de o actiune extrema. O astfel de structura trebuie sa posede unele caracteristici importante, cum ar fi redundanta structurala, legaturi intre elemente sau ductilitate. Lipsa unor astfel de caracteristici poate conduce la cedarea structurii ca urmare a unor avarii locale. In cazul cladirilor multietajate, un astfel de fenomen se numeste colaps progresiv si defi­neste situatia in care o avarie (sau cedare) locala, care a fost declan­sata de un eveniment extrem, se propaga din element in element, rezultand, in final, cedarea intregii structuri sau a unei mari parti din structura (disproportionat de mare in raport cu avariile initiale).

In Europa, primele studii referitoare la colapsul progresiv au fost initiate in urma cedarii structurii Ronan Point, din Marea Britanie, in anul 1968, atunci cand o explozie de gaz la unul din etajele superioare ale cladirii a dus imediat la cedarea unui panou marginal, iar, in final, la cedarea unei zone extinse din structura (fig. 1.a).

Primele recomandari, aparute in 1970, cu editiile ulterioare din 1974 si 1976, au adus o anumita imbu­natatire a robustetii, fapt confirmat de performanta structurilor supuse actiunilor accidentale, inclusiv explozii, impact etc. si proiectate pe baza acestor reglementari.

Eforturile de cercetare continue au condus la imbunatatirea preve­derilor de proiectare si la publicarea unei noi versiuni a standardului in 1991, urmat de alte editii in 2004, 2010 si 2013. Cerintele prevazute in aceste standarde conduc la structuri mai robuste, cu o rezistenta mai mare la actiuni extreme; de exemplu, impact sau explozie (externa sau interna).

O metodologie de evaluare a robustetii cladirilor multietajate a fost dezvoltata recent in Marea Britanie [2]. Metoda combina influenta ducti­litatii, redundantei si capacitatii de absorbtie a energiei si cuantifica robustetea structurala printr-o masu­ra unitara si anume, capacitatea pse­udo-statica a sistemului structural.

In afara de Marea Britanie, studii similare asupra colapsului progresiv au fost efectuate in Suedia, Danemarca si de asemenea, in Germania, Olanda si Franta. Cooperarea la nivel european si prevederile din diferite standarde nationale au condus, mai tarziu, la dezvoltarea prevederilor din normele Eurocod.

In ultimii ani, cercetarile realizate in domeniul structurilor in cadre meta­lice au vizat in special anumite mecanisme specifice, cum ar fi dezvoltarea efectului catenar, ductilitatea elementelor si a imbinarilor [3].

In SUA, primele studii asupra colapsului progresiv au inceput in anii ‘70 si s-au concentrat pe evaluarea riscului de cedare la structurile din elemente mari prefabricate din beton, in cazul exploziilor de gaz. Primele cerinte au fost cele referitoare la asigurarea rezistentei la foc si a integritatii structurale pentru asigurarea rezistentei la colaps progresiv si au aparut in 1972.

In urma atentatelor din anii `90 (WTC, 1993; Murah Building, Oklahoma 1995) si mai ales a celui de la WTC, din septembrie 2001, au aparut mai multe recomandari si prevederi de calcul si alcatuire. Cele mai importante sunt cele elaborate de General Services Administration [4] si Department of Defense [5]. Recomandarile GSA sunt folosite atat la proiectarea cladirilor noi cat si la evaluarea celor existente. Standardul UFC se aplica, in principal, la proiectarea cladirilor care sunt in administrarea Departamentului Apa­rarii, dar poate fi utilizat si la alte aplicatii, inclusiv civile.

Ultima versiune (UFC, 2010) ofera, in afara de reguli generale si proceduri detaliate de proiectare, cerinte specifice pentru evaluarea rezistentei la colaps progresiv a cladirilor din beton armat, a cladirilor metalice, a cladirilor din caramida sau a celor din lemn.

In Japonia, istoria indelungata a evenimentelor seismice a facut ca prevenirea colapsului progresiv sub actiuni extreme, altele decat seismul, sa fie considerata mai putin importanta. Prabusirea turnurilor WTC din 2001 a tras un semnal de alarma cu privire la consecintele dramatice ale colapsului progresiv in cazul cladirilor inalte. Evenimentele de la WTC au demonstrat ca, in cazul producerii simultane sau succesive a unor actiuni extreme, de exemplu explozie dupa impact sau incendiu dupa explozie, efectele sunt devastatoare, deoarece scenariile initiale de proiectare, bazate pe un singur hazard, sunt insuficiente. De asemenea, incendiile care se produc in cladirile avariate, ca urmare a cutremurelor, pot fi considerate scenarii multi-ha­zard. Lista de exemple poate continua cu cel mai mare dezastru natural care a afectat Japonia in ultimul secol si anume, cutremurul urmat de tsunami din 11 martie 2011.

In urma colaborarii dintre Japanese Society of Steel Construction (JSSC) si Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) au aparut primele recomandari pentru imbunatatirea redundantei si a rezistentei la colapsul progresiv. Documentul introduce noi tipuri de otel, cu proprietati imbunatatite sub incarcari extreme [6], [7] si prezinta masuri pentru cresterea rezistentei la colapsul progresiv.

 

Analiza de robustete a structurilor in cadre pentru cladiri. Proiectul CODEC

Proiectul de cercetare CODEC cuprinde 7 activitati principale, grupate in 3 etape distincte (fig. 7):

  • etapa 1: Studii preliminare, situatia actuala in domeniul robustetii structurilor pentru cladiri;
  • etapa 2: Studii numerice si incer­cari experimentale pe materiale, com­ponente si structuri;
  • etapa 3: Recomandari privind calculul si alcatuirea structurilor in cadre pentru cladiri in vederea pre­ve­nirii cedarii sub actiuni extreme.

In lucrare se prezinta principalele rezultate obtinute in prima etapa, precum si rezultatele partiale obti­nute in cea de a doua faza, aflata inca in desfasurare, in special pregatirea programului experimental si simularile numerice preliminare folosite in faza de proiectare a speci­menelor si a standurilor experimentale.

 

Studii preliminare in domeniul robustetii structurilor pentru cladiri

Rezultatele preliminare obtinute in urma studierii raspunsului structurilor la actiuni extreme au aratat ca sistemele proiectate la actiuni seismice pe baza conceptului de capacitate au o robustete corespunzatoare, care creste odata cu cresterea acceleratiei de proiectare (fig. 8). Un factor important il reprezinta legatu­rile in noduri dintre elemente. Astfel, structurile cu legaturi rigide in noduri pe doua directii pot suporta pier­de­rea a doi stalpi fara initierea colapsului progresiv. In cazul celor cu legaturi pe o singura directie, insa, pierderea a doi stalpi poate conduce la cedarea structurii, mai ales la structurile care sunt proiectate la acceleratii seismice reduse (fig. 9).

O importanta deosebita in prevenirea colapsului o are capacitatea imbinarii de a permite dezvoltarea efectului catenar in cazul unor deformatii mari. Studiile au aratat ca imbinarile cu placa de capat si suruburi au o capacitate suficienta daca sunt dimensionate sa cedeze in modul 2, adica cedarea sa se produca prin incovoierea placii de capat, concomitent cu ruperea surubului.

Pentru a studia capacitatea imbinarii la intindere, aceasta poate fi descompusa in macro-componente care, apoi, sunt studiate numeric si experimental. De asemenea, o contributie importanta la cresterea rezistentei la colaps progresiv o are realizarea conlucrarii intre grinzile metalice si planseul din beton si, de asemenea, armarea suficienta a planseului.

In cazul unor structuri cu redundanta redusa, realizarea unui sistem de plansee cu armare pe doua directii si o legatura solida cu structura de sustinere poate asigura redistributia eforturilor din zonele afectate, inclusiv prin dezvoltarea efectului catenar (membrana) in planseu. Planseele au, de asemenea, un rol important in izolarea compartimentelor afectate de incen­diu si impiedicarea propagarii la compartimentele adiacente.

 

Studii numerice si incercari experimentale pe materiale, componente si structuri solicitate la actiuni extreme

Programul de cercetare din cea de-a doua faza a proiectului a cuprins studii privind robustetea structurilor in cadre multietajate, cu diferite regimuri de inaltime, cu sau fara contravantuiri, care folosesc diverse solutii de imbinari grinda – stalp si mai multe solutii de plansee. Structurile studiate au fost proiectate in conformitate cu normele actuale, la actiuni din situatiile normala si seismica, dar fara luarea in consi­derare a actiunilor din situatia de proiectare accidentala.

Pentru analiza de robustete, au fost considerate diverse scenarii de cedare a unor stalpi. S-a folosit programul de calcul ELS [8], care are capacitatea de a modela fenome­nele complexe ce apar in structura in cazul unor soli­citari extreme (efectul catenar in grinzi, efectul de membrana in plansee) si care poate mo­dela cu acuratete interactiunea dintre structura metalica si planseul din beton armat (fig. 10). Pentru modelarea comportarii macro-componentelor a fost folosit, de asemenea, programul de calcul cu element finit Abaqus [9].

Din aceste structuri proiectate, s-au extras subansamblurile, nodurile si componentele de imbinari pentru studiile experimentale, care cuprind:

  • incercari de tractiune pe elemente T-stub prinse cu suruburi si pe suduri la temperatura ambianta si la temperatura ridicata, cu diferite viteze de deformare (fig. 11);
  • incercari la pierderea unui stalp pe noduri grinda – stalp (fig. 12);
  • incercari la pierderea unui stalp pe subansambluri alcatuite din doua travei si doua deschideri (fig. 13);
  • incercari la explozie pe imbinari grinda – stalp.

Fiecare program experimental prezentat mai sus a fost precedat de studii numerice care au avut ca scop evaluarea parametrilor de compor­tare si modul de cedare sub actiunile considerate. In cazul incercarilor pe noduri si subansambluri la cedarea unui stalp, au fost, de asemenea, investigate conditiile de similitudine dintre incercarea experimentala si structura reala din care au fost extrase specimenele. Astfel, au fost dispuse legaturi laterale care sa asigure specimenelor incercate un mod de comportare similar cu cel al structurii intregi. S-au realizat modele numerice pentru fiecare tip de specimen si au fost simulate conditiile de margine si modul de incarcare.

 

Concluzii

Raspunsul structurilor pen­tru cladiri sub actiunea unor incarcari accidentale, depinde de mai multi factori, cum ar fi tipul sistemului structural sau proprietatile materialelor utili­zate in elementele structurale si nestructurale. O masura de reducere a riscului de cedare o constituie proiectarea structurii pe baza controlului meca­nismului de cedare si consta in ana­liza si conformarea structurii astfel incat sa reziste la diferite nivele de avarie fara initierea colapsului. Proiectul de cercetare prezentat in lucrare, care se desfasoara in perioada 2012 – 2015, are ca obiectiv principal tocmai reducerea riscului de cedare a cladirilor in cadre multietajate sub actiuni cu caracter extrem. Cerce­tarile efectuate pana in prezent au aratat o imbunatatire a raspunsului structural atunci cand structura utilizeaza sisteme cu legaturi pe doua directii, sau plansee in conlucrare cu structura de rezistenta. In faza urmatoare a proiectului se vor realiza incercari experimentale pe macro-componente, ele­men­te si suban­sambluri, atat sub incarcari statice cat si sub actiunea directa a exploziilor.

Mentiuni

Aceasta lucrare a fost sustinuta financiar de Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii prin contractul PN II PCCA 55/2012 „Conceptia structurala si proiectarea pe baza controlului mecanismului de cedare a structurilor multietajate supuse la actiuni accidentale“ CODEC (2012 – 2015).

 

Bibliografie

[1]  EN 1990, Eurocode 0 Basis of structural design, 2002;

[2] Izzuddin BA, Vlassis AG, Elghazouli AY, Nethercot DA, Assessment of Progressive Collapse in Multi-Storey Buildings, Proc. ICE, Structures and Buildings, 160(4), 2007, DOI: 10.1680/stbu.2007.160.4.197;

[3] ROBUSTNESS, Robust structures by joint ductility, RFSR-CT-2004-00046, 2007;

[4] GSA 2003, General Services Administration (GSA) Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines For New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects, 2003;

[5] Department of Defense DOD UFC 4-023-03, Unified Facilities Criteria (UFC), Design of Buildings to Resist Progressive Collapse, 2010;

[6] JSSC 2005a, Guidelines for collapse control design – Construction of steel buildings with high redundancy, Jap. Soc. of Steel Const. & Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2005;

[7] JSSC 2005b, Guidelines for collapse control design – High performance steel products for building const., Jap. Soc. of Steel Const. & Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2005;

[8] Extreme Loading for Structures, Ver. 3.1, Applied Science International, Durham, NC, 2010;

[9] Abaqus/CAE 6.11-1, Dassault Systemes, 2011.

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

Autori:
prof. dr. ing. Florea DINU,
prof. dr. ing. Dan DUBINA,
drd. ing. Ioan MARGINEAN – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii
conf. dr. ing. Ioan PETRAN – Universitatea Tehnica din Cluj Napoca, Facultatea de Constructii
ing. Mircea PASTRAV – cercetator Urban INCERC, Cluj Napoca
ing. KOVACS Attila – cercetator INCD Insemex Petrosani
ing. Dorin ASCHILEAN – ACI Cluj SA 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 117 – august 2015, pag. 48

 



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/2015/08/01/conceptia-structurala-si-proiectarea-pe-baza-controlului-mecanismului-de-cedare-a-structurilor-multietajate-supuse-la-actiuni-accidentale/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.