Proiectarea asistata de experiment a structurilor complexe (I)

Proiectarea structurilor pentru cladiri se bazeaza pe modele de calcul care pot furniza, cu o anumita precizie, raspunsul structurii sub actiunea incarcarilor exterioare. In cazul unor conditii extreme de soli­citare, de exemplu sub actiunea seismica, structurile pot suferi avarii sub forma unor deformatii plastice. Daca aceste deformatii plastice sunt dirijate in zonele special concepute pentru aceasta, raspunsul este cel asteptat si structura are o comportare corespunzatoare.

Experienta seismica a ultimelor doua decade, incepand cu Northridge 1994 si Kobe 1995, a aratat ca alcatuirea structurilor si modul de realizare a detaliilor nu se pot baza doar pe calcule si ca este nevoie de incercari experimentale pentru a avea siguranta dorita sub actiuni extreme.

Lucrarea prezinta doua exemple de aplicare a conceptului de proiectare asistata de experiment, la doua cladiri inalte care vor fi construite in Bucuresti. Se prezinta conceptia structurala, principalele probleme care au stat in fata proiectantilor si rezultatele experimentale obtinute. 

Sistemele structurale pentru cladiri multietajate amplasate in zone seismice trebuie sa posede caracteristici corespunzatore de rezistenta, rigiditate si ductilitate, pentru a avea un raspuns adecvat in cazul unor miscari seismice puternice. Folosirea unor sisteme traditionale, de tipul cadrelor necontravantuite, cu deschideri uzuale intre stalpi, sau al cadrelor contravantuite centric cu diagonale in X, beneficiaza de experienta suficienta. Aceasta experienta poate fi data atat de comportarea unor sisteme similare la miscarile seismice trecute, cat si de numeroasele programe de cercetare care s-au desfasurat pe plan mondial (SAC Joint Venture in SUA, INCO-COPERNICUS „RECOS“ in Europa). De aceea, daca se folo­sesc sisteme si detalii de alcatuire (in special detalii de imbinare) care se incadreaza in parametrii recomandati, proiectarea structurii se face folosind relatiile de dimensio­nare si verificare a elementelor si a imbinarilor din norme. In situatia in care structura iese din limitele recomandate, de exemplu prin gabaritele elementelor structurale sau folo­seste detalii de alcatuire diferite de cele uzuale, pentru care nu exista informatii privind comportarea lor, atunci proiectantul este nevoit sa recurga la incercari experimentale pentru a garanta siguranta structurii in exploatare. Testele se fac pe specimene la scara reala, folosind sectiuni, materiale si procedee de fabricatie comparabile cu cele din constructia reala. Pentru aceasta, se pot folosi recomandarile din EN 1990 (2002) referitoare la proiec­tarea asistata de experiment, impreuna cu prevederile speciale din EN 1998-1 (2005) referitoare la structurile amplasate in zone seismice si din EN 15129 (2010) referitoare la dispozitive antiseismice.

Prevederi similare se regasesc si in Statele Unite, de exemplu recomandarile din FEMA 350 (2000) la precalificarea imbinarilor pentru struc­turi amplasate in zone seismice. Ca protocoale de incercare se pot folosi recomandarile ECCS (1985) sau cele din FEMA 461 (2007).

Din pacate, cel putin in tara noastra, sunt putine laboratoare specia­lizate in acest gen de incercari si, de aceea, proiectantii recurg destul de rar la asemenea incercari. Un alt element important este costul incercarilor si durata lor de executie, care pot sa genereze costuri suplimen­tare si intarzieri in derularea lucrarii.

In lucrarea de fata se prezinta doua studii de caz referitoare la proiectarea asistata de experiment a doua cladiri multietajate cu structura metalica. Se prezinta sistemele struc­turale, principalele detalii tehnice si rezultatele cercetarilor experimentale desfasurate in cadrul Laboratorului de Constructii Metalice al Departamentului de Constructii Me­talice si Mecanica Structurilor de la Facultatea de Constructii din Timisoara.

Structura in cadre multietajate cu stalpi deSi

Si grinzi cu sectiune redusa

Descrierea structurii

Prima lucrare prezentata este o cladire de birouri care va fi construita in Bucuresti. Cladirea are forma in plan de tip poligon neregulat, cu dimensiunile maxime de 31,3 m x 43,29 m, un numar de 17 etaje si o inaltime maxima de 93,5 m (fig. 1).

Beneficiarul lucrarii este SC DMA ARCHITECTURE & INTERIOR DESIGN SRL. Analiza globala si proiectarea structurii s-a facut de catre SC POPP & ASOCIATII, pe baza planurilor de arhitectura propuse de SC WESTFOURTH ARCHITECTURE SRL, proiectantul general al cladirii.

Sistemul structural este alcatuit din cadre metalice necontravantuite, care formeaza un nucleu din cadre dese la interior si un tub exterior tot din cadre dese. Pentru grinzile care fac parte din sistemele de preluare a incarcarilor laterale au fost prevazute sectiuni din table sudate si profile laminate. Stalpii folosesc un sistem cruciform realizat din profile laminate.

Sistemul structural propus in final pentru aceasta structura este rezultatul analizarii a aproximativ 8 sisteme structurale diferite. Datorita formei partiului de arhitectura cat si a limitarilor impuse structurii de catre conceptul de arhitectura, gasi­rea unei solutii structurale viabile s-a dovedit dificila. Solutia adoptata in final, spre deosebire de toate variantele analizate anterior, nu prezinta diagonale in fatade, ceea ce constituie un avantaj major din punct de vedere al functionalitatii. Stalpii din fatadele de S-V, N-V si N-E sunt la pas de 3,0 m, iar cei de pe fatada de S sunt la pas de 7,0 m. Nucleul este realizat in intregime din metal, cu latura de S-E si cea de S-V contravantuite, pentru a corecta comportarea modala a structurii.

Strategia adoptata de acest sistem structural pentru a rezista actiunii seismice a urmarit doua directii:

• Cresterea ductilitatii structurii, prin adoptarea unui sistem structural cu un potential disipativ crescut;

• Flexibilizarea structurii si atingerea unei perioade proprii de oscilatie, cu o valoare mai mare de 2,0 sec., care ar duce la micsorarea factorului de amplificare dinamica maxima a acceleratiei orizontale a terenului de catre structura.

Impreuna, aceste doua efecte favorabile au potentialul realizarii unei structuri economice cu conditia mentinerii deformatiilor structurii in limitele impuse de normativ (P100-1/2006, Anexa E).

Conform conceptului de proiec­tare seismica, acest tip de sistem structural este unul disipativ, la care formarea articulatiilor plastice se face la capetele grinzilor. Pentru a proteja imbinarile sudate grinda-stalp, proiectantul a propus folosirea unei imbinari de tip „grinda cu sectiune redusa“, care sa dirijeze articulatiile plastice la o anumita distanta de capatul grinzii. De asemenea, pentru reducerea efectului fortei taie­toare asupra momentului plastic capabil al grinzilor, ceea ce permite un control mai bun al comportarii acestora, s-au folosit grinzi compuse din table sudate, la care dimensiunile inimilor si talpilor pot fi foarte bine controlate. Datorita deschide­rilor reduse si a limitarilor de spatiu, imbinarile in santier au fost prevazute la mijlocul deschiderii, in zona de moment minim.

Aceasta solutie, care utilizeaza o prindere de continuitate cu placi de capat si suruburi de inalta rezistenta pretensionate, a permis atat redu­cerea la jumatate a numarului de imbinari cat si evitarea imbinarilor sudate pe santier.

Din cauza ca stalpii structurii care participa la preluarea incarcarilor late­rale sunt foarte desi, la interax de 3 m, pentru reali­zarea cadrelor rezulta grinzi scurte. Practic, lungimea grin­zilor ajun­ge sa fie aproximativ 2.2 m sau chiar mai mica, pana la 1.45 m. In cazul de fata raportul minim intre lungi­mea efectiva a grinzii si inal­timea acesteia este aproximativ 3,2.

Aplicarea acestui sistem structural, pentru care nu exista prevederi suficiente privind modul de reali­zare a imbinarilor, este o premiera in Romania. In plus, lun­gimea redusa a grin­zilor conduce la forte taietoare mari, care pot modifica conside­rabil raspunsul zonei cu sectiune redusa, ce este folosita in mod traditional la grinzile lungi, solicitate predominant la incovoiere.

Codul de proiectare seismica P100-1/2006 nu specifica domeniul in care sistemul de cadre necontravantuite este valid din punct de vedere al raportului dintre lungimea grinzii si inaltimea acesteia. Ca refe­rinta, se pot insa folosi prevede­rile din FEMA 350, referitoare la calificarea imbinarilor, care stipuleaza faptul ca recomandarile de alcatuire a sectiunii reduse sunt valabile doar la grinzi care au un raport lungi­me/inaltime cel putin egal cu 7, pentru cadre cu ductilitate mare.

Avand in vedere lungimea grin­zilor si prezenta imbinarilor de tip grinda cu sectiune redusa, s-a decis efectuarea de incercari experimentale pe cele mai scurte tipuri de grinzi si anume grinzile de tip A cu lungime de 1.450 mm (raport L/h = 3,2) si pe cele de tip A cu lungime de 2.210 mm (raport L/h = 4,9).

Deoarece pentru celelalte tipuri de grinzi (tip B, C si D) raportul L/[Mp/Vp] este mai mare decat cel al grinzilor incercate si le incadreaza in categoria grinzilor curente, nu s-a considerat necesara efectuarea de incercari experimentale pentru validarea comportarii in domeniul ciclic. Pentru aceste tipuri de grinzi, se vor face, insa, simulari numerice folo­sind un model numeric calibrat pe baza incercarilor experimentale.

Descrierea

programului experimental

Programul experimental a cuprins incercari in domeniul ciclic pentru doua dintre cele trei tipuri de grinzi de tip A (Tabelul 2).

Incercarile au urmarit, in principal, urmatoarele aspecte:

• evaluarea rezistentei, rigiditatii si ductilitatii ansamblului grinda – stalp;

• evaluarea influentei fortei taie­toare asupra capacitatii de rotire a grinzilor;

• evaluarea modului de compor­tare a panourilor de nod;

• evaluarea influentei prinderii de continuitate asupra raspunsului global.

Pentru incercarile pe subansamble, procedura de incarcare a fost cea recomandata de Conventia Europeana pentru Constructii Meta­lice (ECCS, 1985). Aceasta prevede patru cicluri elastice initiale (±0,25e_y, ±0,5e_y, ±0,75e_y si ±1,0e_y), urmate de grupuri a cate trei cicluri la amplitudini multiple 2e_y (3x ±2e_y, 3x ±4e_y, 3x ±6e_y etc.). Amplitudinea depla­sarii aplicate specimenelor este marita pana la atingerea colapsului. Incercarea specimenelor se face in control de deplasare, la o viteza cvasistatica (6 minute per ciclu la incercarile ciclice). Pentru a reduce numarul de specimene, s-a renuntat la incercarea monotona si s-au executat cate doua specimene din fiecare tip, care s-au incercat ciclic, iar deplasarea la curgere e_y s-a deter­minat pe baza analizei numerice.

Pentru incercarile pe subansamble, s-au monitorizat urmatorii parametri:

• deplasari orizontale la nivelul grinzii si la varful stalpilor;

• alunecari la baza in aparatele de reazem;

• rotiri in noduri, pe talpa si pe inima;

• rotiri relative intre grinda si stalp, prin doua randuri de capturi la inceputul si la sfarsitul sectiuni reduse;

• deformarea din forta taietoare a panoului inimii stalpului, prin captori pusi dupa diagonale;

• alunecari relative intre placile de capat din imbinare.

Pentru urmarirea comportarii pano­ului de inima din zona redusa a grinzii, s-a utilizat un echipament de masura fara contact a deformatiilor, folosind tehnici de corelare a ima­ginii, denumit VIC 3D.

Ca parametru de control s-a folosit deplasarea la varful structurii, care a fost crescuta continuu pana in momentul cedarii sau al reducerii capacitatii structurii cu peste 20% fata de capacitatea maxima. Aceasta deplasare la varf este raportata la inaltimea de nivel (%H) pentru a se elimina influenta inaltimii de etaj.

Rezultatele programului experimental

Specimenul RBS-L1 cu grinda de lungime 2.210 mm a fost solicitat pana la valori ale driftului relativ de nivel de circa 0,05 H_e, cedarea producandu-se prin ruperea sectiunii in zona afectata termic de la nivelul talpii, urmata apoi de propagarea acesteia in inima. Deformatiile plastice au fost initiate la nivelul talpilor din zona redusa iar apoi de voalarea plastica a inimii in aceeasi zona. Grinzile au aratat ca au o capacitate de rotire ridicata, de peste 50 mrad, nivel care se atinge la un drift relativ de nivel de circa 0,05 H_e.

Cel de-al doilea specimen cu grinda de lungime 2.210 mm, RBS-L2, a fost solicitat pana la valori ale driftului relativ de nivel de circa 0,05 H_e, cedarea producandu-se prin ruperea sectiunii grinzii in zona redusa. Ruperea s-a initiat in talpa si s-a propagat apoi pe circa jumatate din inaltimea inimii, dupa care testul a fost oprit din conditii de siguranta. Ruperea a fost precedata de deformatii plastice mari la nivelul talpilor si al inimii, formandu-se mecanismul plastic in talpi si voalari la nivelul inimii. Grinzile au aratat o capacitate de rotire ridicata, de peste 60 mrad, nivel care se atinge la un drift relativ de nivel de circa 0,05 H_e. Degra­darea in cicluri succesive este redusa, ceea ce arata ca imbinarile au o sensibilitate redusa la oboseala in domeniul plastic (low cycle fatigue).

Primul specimen scurt, RBS-S1, cu grinda de lungime 1.450 mm a fost solicitat pana la valori ale driftului relativ de nivel de circa 0,05 H_e, cedarea producandu-se prin ruperea sectiunii in cele doua zone reduse ale grinzii. Ruperea s-a initiat la contactul dintre talpa si inima si s-a propagat, apoi, atat in talpa cat si in inima, ducand la reducerea drastica a capacitatii, testul fiind oprit din conditii de siguranta. Deformatiile plastice au fost initiate la nivelul talpilor din zona redusa iar apoi de voalarea plastica a inimii in aceeasi zona. Grinzile au aratat ca au o capacitate de rotire ridicata, de peste 50 mrad, nivel care se atinge la un drift relativ de nivel de circa 0,05 H_e. Degradarea in cicluri succesive este redusa, ceea ce arata ca imbinarile au o sensibilitate redusa la oboseala in domeniul plastic (low cycle fatigue).

Cel de-al doilea specimen scurt, RBS-S2, cu lungimea de 1.450 mm, a fost solicitat pana la valori ale driftului relativ de nivel de circa 0,06 H_e, cedarea producandu-se prin ruperea suruburilor din imbinarea de continuitate grinda-grinda. Deoarece la montaj a existat un rost de circa 5 mm intre cele doua placi de capat, acesta a fost completat cu fururi, pentru a se realiza contact direct intre cele doua tronsoane. Acest lucru nu a impiedicat, insa, produ­cerea de lunecari incepand de la nivele reduse de solicitare, iar in final, la ruperea suruburilor la eforturile combinate din forta taietoare si moment de incovoiere. In stadiul ultim, inainte de ruperea suruburilor, s-au produs si unele fisuri in zona afectata termic, langa cordoanele de sudura de pe talpi.

Tabelul 3 (pag. 42) prezinta pe scurt rezultatele obtinute pe fiecare specimen si modul de cedare. Pentru urma­rirea comportarii panoului de inima din zona redusa a grinzii, s-a utilizat un echipament de masura fara contact a deformatiilor folosind tehnici de corelare a ima­ginii, denumit VIC 3D (fig. 8). Acest sistem permite urmarirea deforma­tiilor panou­lui atat in plan cat si in afara planului.

Figura 9 si figura 10 prezinta evolutia starii de defor­matii in panoul de inima din zona redusa a grinzii. Se poate vedea ca inclinarea este mult mai accentuata in cazul grinzii mai scurte, ca urmare a nivelului mai ridicat al eforturilor unitare de forfecare.

(Va urma)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 86 – octombrie 2012, pag. 40

 
Autori:
Dan Dubina, Florea Dinu, Aurel Stratan – Universitatea „Politehnica” Timisoara
Dragos Marcu, Florin Voica – Popp & Asociatii, Bucuresti
Jan Demeyere – DMA Architecture & Interior Design