Proiectarea asistata de experiment a structurilor complexe (II)

(Urmare din numarul anterior)

Structura multietajata cu nuclee din beton si contravantuiri metalice
Descrierea structurii
Cea de-a doua structura este o cladire turn, care face parte din proiectul ”Smart Park” si va fi situata in cartierul Straulesti, in partea de NV a Bucurestiului. Beneficiarul acestui proiect este SC Straulesti Property Development SRL. Proiectul structurii este realizat de SC Popp & Asociatii SRL, in baza unui contract cu SC International Team Design SRL.

Dimensiunile in plan ale nivelului curent sunt de 52,0 m x 25,6 m. Cladirea are doua subsoluri, un parter si 28 de niveluri de 3,95 m si 4,15 m suprateran. De aici rezulta o inaltime de 117,6 m deasupra nive­lului terenului. Transversal, cladi­rea este inclinata intr-o directie pe primele doua treimi din inaltime si in cealalta pe ultima treime. Indoirea se face la nivelul 17, iar unghiul inclinarii este diferit pentru fiecare dintre cele doua parti: deplasarea laterala de nivel este de 40 cm pentru fiecare nivel de 3,95 m, in prima parte, si 70 cm pentru fiecare nivel de 3,95 m, in a doua parte.

Sistemul de preluare a incarcarilor laterale este format din doua nuclee de beton armat situate sime­tric la fiecare capat al cladirii (fig. 11). In prima parte a cladirii, pana la nivelul de indoire, doi pereti din beton conectati de nuclee ii consolideaza crescandu-le capacitatea si rigiditatea. Acesti pereti sunt de forma trapezoidala, cu baza mare la nivelul terenului si cu baza mica la nivelul de indoire, iar planul lor este in directie transversala. Ei joaca un rol major in rigiditatea transversala a cladirii. In directie longitudinala, fatada este contravantuita simetric cu un sistem de diagonale in X, care conecteaza nodurile grinda-stalp din doua in doua niveluri. Aceasta alcatuire permite un profil mai lung al diagonalelor, in masura sa respecte limitarile de zveltete din P100-1 (2006) si de asemenea conduce la reducerea numarului de imbinari necesare. Diagonalele sunt consi­derate doar intinse. Celelalte niveluri, care nu sunt conectate direct prin nodurile diagonalelor, transmit incarcarea la sistemul de contravantuiri indirect, prin nucleele de beton. Pentru a permite trecerea libera a diagonalelor prin nivelurile intermediare, fara a se intersecta cu grinzile de fatada, acestea din urma sunt retrase de la fatada si prinse de grinzile principale transversale in loc de stalpi. Placa din beton la aceste niveluri se poate extinde la fel ca cea de la nivelurile principale, prin permiterea traversarii libere a diagonalelor prin goluri special prevazute.

Datorita numarului impar de des­chideri contravantuite, in anumite deschideri diagonalele se intersecteaza in dreptul grinzii nivelului secundar. In aceste situatii, diagonalele sunt intrerupte si conectate de grinda de la nivelul respectiv, care nu mai este retrasa. Rezulta, astfel, diagonale mai scurte care se dezvolta pe un singur nivel.

Contravantuirile sunt realizate din tevi cu sectiune circulara si au imbi­nari articulate cu bolturi. In structura exista doua configuratii de contra­vantuiri: dezvoltate pe doua niveluri, cu lungimea de 9.300 mm (fig. 12a) si dezvoltate pe un nivel, cu lun­gimea de 4.300 mm (fig. 12b).

Sunt folosite urmatoarele sectiuni: D244,5×25, D244,5×20, D219,1×20, D219,1×16 si D219,1×10. Una din imbinarile fiecarei contravantuiri este realizata cu bolt excentric, ceea ce permite ajustarea distantei intre punctele de fixare a contravantuirii. Acest aspect permite, pe de o parte, o anumita toleranta de montaj, iar pe de alta parte, reduce solicitarea contravantuirilor din incarcarile gravitationale, acestea fiind fixate definitiv in pozitie dupa turnarea planseelor din beton armat.

Datorita faptului ca in literatura de specialitate nu existau informatii asupra performantei seismice a acestui tip de contravantuiri si asu­pra acestui tip de imbinare, s-a decis ca este necesar un studiu dedicat. Acesta a urmat doua directii: simu­lari numerice si incercari experimentale.

Simulari numerice cu MEF ale imbinarilor

Analiza numerica cu MEF s-a efectuat pe contravantuirea cu sectiunea de 219,1 x 10, una dintre cele cinci tipodimensiuni de contravantuiri (244,5 x 25, 244,5 x 20, 219,1 x 20, 219,1 x 16, 219,1 x 10) existente in proiectul Smart Park.

Au fost analizate trei modele de imbinari, dupa cum urmeaza:

• 219×10-ecc – imbinare cu bolt cu sectiune variabila, doua ranforsari sudate cu sudura de colt de guseul central; boltul realizat din S690Q, iar restul componentelor imbinarii din S460N (fig. 13);

• 219×10-ct – imbinare cu bolt cu sectiune constanta, cu diametrul D84 mm, doua ranforsari sudate cu sudura de colt de guseul central; boltul realizat din S690Q, iar restul componentelor imbinarii din S460N;

• 219×10-ct-690 – imbinarea cu bolt cu sectiune constanta cu diametrul D84 mm, guseul central realizat fara ranforsari cu grosimea de 50 mm. Toate componentele imbinarii au fost realizate din otel S690Q. Acest model a fost propus ca alternativa la solutia de baza, cu scopul reducerii manoperei, datorita eliminarii ranforsarilor si a sudurilor dintre acestea si guseul central, conducand in acelasi timp la o imbinare mai compacta.

Analiza numerica a fost realizata cu metoda elementului finit cu ajutorul programului Abaqus. S-au folosit elemente finite liniare de volum, cu 8 noduri cu integrare redusa de tip C3D8R, iar pentru a avea o discretizare cat mai uniforma in cazul elementelor cu geometrie complexa, s-au creat partitii ce au permis aceasta uniformizare. S-a uti­lizat o analiza de tip Dinamic Explicit. Datorita imbinarii cu bolt, a fost necesar sa se defineasca suprafete de contact intre gusee, respectiv guseu si bolt. Legea de contact contine o componenta normala si respectiv una tangentiala pentru care s-a introdus un coeficient de frecare de 0,3.

Sudura diferitelor componente (teava de placa de capat, gusee de contravantuire de placa de capat) a fost modelata prin intermediul unui contact de tip „tie”. Incarcarea a fost aplicata in control de deplasare. S-au folosit caracteristicile nominale ale mate­rialelor, cu exceptia contravantuirii, pentru care s-a utilizat o supra­rezistenta de material g_ov=1,25.

Celor trei modele le corespund valori apropiate, in termeni de tensiune si deformatie plastica echivalenta (fig. 14), cu observatia ca, in cazul modelului cu guseu central realizat dintr-un singur material (S690Q), deformatiile plastice la contactul cu boltul sunt mai reduse. Aceasta se datoreaza faptului ca boltul are o lungime mai mica si astfel efectul de incovoiere este dimi­nuat. Prin utilizarea guseului central realizat dintr-un singur material, un alt avantaj il reprezinta reducerea costurilor aditionale ale utilizarii unui guseu cu ranforsari (debitarea si sudarea ranforsarilor).

La toate modele analizate se constata deformatii plastice in bolt si in gusee. Totusi, acestea sunt, in toate cazurile, locale, fara a se ex­tinde pe o intreaga sectiune. In toa­­te cazurile, o parte a componentei imbinarii (bolt sau guseu) ramane in domeniul elastic, asigurand capacitatea portanta chiar si dupa plasticizarea locala a componentei. Aceasta comportare reflecta princi­piul de calcul al imbinarilor cu bolt din SR EN1993-1-1 pentru imbinari care nu necesita inlocuirea boltului, si anume acceptarea unor plasticizari locale in zona de contact intre bolt si gusee la starea limita ultima. Pe de alta parte, performanta imbinarii este adecvata in contextul solici­tarilor severe din actiunea seismica, ce provoaca plasticizarea si consolidarea elementului disipativ imbinat (contravantuirea). Eventualele reparatii necesare in urma unui seism major ar implica inlocuirea contravantui­rilor si a boltului.

Simulari numerice cu MEF ale contravantuirilor

Simularile numerice pe contra­vantuiri au fost realizate pe modele reprezentand specimenele experimentale, cu lungimi de 2.700 mm si 5.900 mm. Analiza numerica a fost realizata cu metoda elementului finit cu ajutorul programului Abaqus. S-au folosit elemente finite de volum cu 8 noduri cu integrare redusa de tip C3D8R (pentru componentele celor doua imbinari) si elemente finite de suprafata cu 4 noduri cu integrare redusa de tip S4R (pentru bara cu sectiune tubulara).

Simularile numerice efectuate pe modelul de contravantuire cu lungi­mea de 2.700 mm au indicat o ten­dinta de flambaj in afara planului imbinarii.

Pentru a studia acest fenomen mai in detaliu, s-au analizat trei mo­dele: cel de baza (2D139x6_A_MC2), unul cu deplasarile blocate in planul imbinarii (2D139x6_A_MC2_By) si un altul cu deplasarile blocate in afara planului imbinarii (2D139x6_A_MC2_Bz).

Dupa cum se poate vedea din tabelul 4 si figura 15, rezistentele la compresiune in cele doua directii sunt foarte apropiate. Acest fapt se datoreaza sectiunii tubulare pe de o parte si flexibilitatii imbinarii in afara planului pe de alta parte.

Pentru a controla planul de flambaj al contravantuirii s-a decis introducerea unei excentricitatii de 4 mm intre axul contravantuirii si gusee, in planul imbinarii. Au fost analizate cateva modele numerice pentru contravantuirea cu lungimea de 2.700 mm, mai sensibila la flambaj in afara pla­nului, care contineau, pe langa excentricitatea de 4 mm din imbi­nare si imperfectiunea de bara L/500, considerata cu diferite orientari fata de planul imbinarii. S-a con­s­tatat ca, in situatia cea mai defa­vorabila, in care imperfectiunea de bara este orientata in afara planului imbinarii, excentricitatea de 4 mm a imbinarii nu este suficienta pentru inducerea flambajului in planul imbinarii. Tinand cont de faptul ca la data efectuarii simularilor numerice pe modelele de contravantuiri spe­cimenele experi­mentale erau deja fabricate, s-a decis adoptarea unei solutii de remediere pentru unul din speci­menele experimentale, constand din sudarea a doua bare din otel patrat 14 mm x 14 mm pe intreaga lungime a contravantuirii.

Rigidizarile din otel patrat au fost dispuse astfel incat sa creeze o asi­metrie in sectiunea barei tubulare, pentru a induce flambajul in planul imbinarii. Simularile numerice efectuate pe un model al contravantuirii de 2.700 mm cu rigidizari a indicat eficienta solutiei (fig. 16a). Conform studiului numeric, contravantuirile cu lungimea de 5.900 mm s-au dovedit mai putin predispuse la flambaj in afara planului imbinarii, nefiind nece­sara sudarea rigidizarilor (fig. 16b).

Curbele forta-deplasare ale mode­lelor de contravantuiri cu lungi­mea de 2.700 mm si 5.900 mm sunt prezentate in figura 17.

Incercari experimentale pe contravantuiri

Programul experimental a cuprins patru contravantuiri incercate in regim ciclic. Datorita limitarilor impuse de echipamente si dimensiunea platformei de incercare, spe­cimenele experimentale au fost reduse la scara. Echivalarea dintre contravantuirile proiectate si mode­lele experimentale s-a facut pas­trand aceeasi clasa de sectiune (clasa 1) si zveltetea adimensionala (l¯   = 0,75 si 1,64). In figura 18 este prezentat standul experimental.

Specimenele experimentale sunt prezentate in tabelul 5. Specimenul SP27-1 a fost incercat ca atare, in timp ce specimenului SP27-2 i-au fost sudate doua bare din otel patrat 14 mm x 14 mm, pentru a crea o asimetrie in sectiunea tubulara. Aceasta decizie a fost luata in urma faptului ca specimenul SP27-1 si-a pierdut stabilitatea in afara planului imbinarii. Celelalte doua specimene (SP59-1 si SP59-2) au fost incercate fara vreo modificare fata de proiect.

Toate specimenele au fost incercate in regim ciclic, conform procedurii ECCS (1985). Incercarile ciclice au constat in aplicarea a patru cicluri in domeniul elastic (±0,25D_y, ±0,5D_y, ±0,75D_y si ±1,0D_y), urmate de grupe a cate trei cicluri la amplitudini multiplu de 2D_y (3x ±2D_y, 3x ±4D_y, 3x ±6D_y etc.).

Deplasarea la curgere D_y a fost deter­minata din simulari numerice folo­sind caracteristicile mecanice ale materialelor determinate experimental. Incarcarea a fost aplicata quasi-static, in control de deplasare.

Specimenul SP27-1 si-a pierdut stabilitatea in afara planului imbinarii (fig. 19) la primul ciclu de 2D_y. Saibele de fixare a boltului erau prinse de acesta prin intermediul unor suruburi M6. In urma flambajului in afara planului imbinarii, aceste suruburi au cedat, saibele au cazut, conducand la indoirea guseelor exterioare. Acest fapt a condus la pierderea partiala a contactului dintre bolt si gusee, cu pierderea rapida a capacitatii portante (fig. 23). Pentru urmatoarele specimene s-au fabricat bolturi noi, mai lungi, cu saibe mai groase fixate de bolt prin intermediul unui filet.

Specimenul SP27-2 a fost modificat fata de configuratia de proiec­tare, prin sudarea a doua rigidizari din otel patrat 14 mm x 14 mm in plan vertical, creand o sectiune nesimetrica, cu scopul inducerii flambajului barei in planul imbinarii. Aceasta solutie s-a dovedit eficienta, contravantuirea pierzandu-si stabilitatea in planul imbinarii (fig. 20). Cedarea s-a produs la primul ciclu de 6D_y din cauza ruperii sectiunii ca urmare a voalarii in ciclurile precedente (fig. 23).

Specimenul SP59-1 si-a pierdut stabilitatea in planul imbinarii, ceda­rea producandu-se la deformatii plastice semnificative 16D_y (fig. 23). Cedarea s-a produs prin ruperea la intindere ca urmare a voalarii progresive in ciclurile de compresiune anterioare (fig. 21). Specimenul SP59-2 a inregistrat nivele similare ale capa­citatii de deformatie plastica – 16D_y (fig. 23). Cu toate acestea, specimenul si-a pierdut stabilitatea mai intai in afara planului imbinarii. Totusi, incepand cu ciclurile de 4D_y, planul de flambaj s-a modificat progresiv catre cel al imbinarii, cedarea producandu-se similar cu specimenul anterior (fig. 22).

Datorita sectiunii tubulare sime­trice a sectiunii contravantuirii si a flexibilitatii comparabile a guseelor in una din directii cu articulatia cu bolt in cealalta dintre directii, diagonalele scurte s-au dovedit a fi sensibile la flambaj in afara planului imbinarii, ceea ce a condus la o cedare fragila a imbinarii in cazul primului specimen. Fixarea cores­punzatoare a saibelor de bolt impie­dica cedarea fragila a imbinarii, chiar si in cazul in care bara isi pierde stabilitatea in afara planului imbinarii. Contravantuirile mai zvelte s-au dovedit a fi mai putin sensibile la flambaj in afara planului imbinarii. Pentru prevenirea flambajului in afara planului imbinarii, se recoman­da adoptarea unor sectiuni nesime­trice, precum rectangulare, eliptice sau dublu T.

Concluzii

In proiectarea structurilor metalice, in particular a celor solicitate la actiuni seismice severe, apar cel putin doua situatii in care utilizarea incercarilor experimentale este necesara:

• prima situatie apare atunci cand este necesara confirmarea/validarea capacitatii de disipare a unor elemente structurale sau a unor zone disipative din structura. Acesta este, de exemplu, cazul nodurilor rigla-stalp la cadrele necontravantuite sau al contravantuirilor cu flambaj impie­dicat, ambele situatii fiind acoperite de norme care contin prevederi pentru incercari;

• a doua situatie apare atunci cand se aplica solutii structurale noi, pentru care nu exista experienta anterioara confirmata de practica. Se pot utiliza desigur si simulari numerice, problema fiind insa ca, pentru credibilitatea rezultatelor, este nevoie de o validare experimentala; alt mod de confirmare intr-o asemenea situatie nu exista. Acesta a fost si cazul celor doua aplicatii prezentate in lucrare. In primul caz, fara analiza experimentala dublata de simulari nume­rice, aplicarea solutiei propuse nu s-ar fi putut face fara anumite riscuri. In al doilea caz, s-a pus problema verificarii functionarii articulatiei propuse, precum si a controlului flambajului diagonalei in planul dorit, care, de fapt, este problema cea mai complicata.

Autorii acestei lucrari isi exprima speranta ca studiile prezentate vor convinge proiectantii si beneficiarii unor lucrari de o asemenea importanta de oportunitatea si justetea unei asemenea abordari – proiectare asistata de experiment.

Mentiuni

Cercetarile experimentale si simu­­larile numerice prezentate in aceasta lucrare au fost finantate prin doua contracte de cercetare. Structura in cadre multietajate cu stalpi desi si grinzi cu sectiune redusa, prezentata in capitolul 1, a fost investigata in cadrul contractului cu numarul 76/2011, incheiat intre Universitatea „Politehnica“ din Timisoara si SC DMA Architecture & Interior Design SRL. Structura multietajata cu nuclee din beton si contravantuiri metalice, prezentata in capitolul 2, a fost investigata in cadrul contractului cu numarul 79/2011, incheiat intre Universitatea „Politehnica“ din Timi­soara si SC Popp & Asociatii SRL.

Bibliografie

AISC 341-05 (2005). Seismic provisions for structural steel buildings. American Institute for Steel Construction;

ECCS (1985). Recommended Testing Procedures for Assessing the Behaviour of Structural Elements under Cyclic Loads. European Convention for Constructional Steelwork. Technical Committee 1, TWG 1.3 – Seismic Design, No. 45;

P100-1 (2006). Cod de proiectare seismica P100: Partea I, P100-1/2006: Prevederi de proiectare pentru cladiri;

Federal Emergency Management Agency (FEMA) (2000). Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. FEMA-350, Prepared by the SAC Joint Venture for FEMA, Washington, D.C.;

EN 1990 (2002). Eurocode – Basis of structural design;

EN 1998-1 (2004). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings;

EN 15129 (2010). Anti-Seismic Devices;

FEMA 461 (2007). Interim Testing Protocols for Determining the Seismic Performance Characteristics of Structural and Nonstructural Components;

Dan Dubina, Florea Dinu, Aurel Stratan, Dragos Marcu, Florin Voica – Proiectarea asistata de experiment a structurilor comple­xe, AICPS Review, nr. 1 – 2 / 2012. 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 87 – noiembrie 2012, pag.36
Autori:
Dan Dubina, Florea Dinu, Aurel Stratan – Universitatea „Politehnica” Timisoara
Dragos Marcu, Florin Voica – Popp & Asociatii, Bucuresti
Jan Demeyere – DMA Architecture & Interior Design