Consolidarea cu metode moderne a cladirilor din clasa a I-a de importanta si expunere

Prezentam, pentru specialistii in domeniu, conceptul de reabilitare seismica structurala a unei cladiri existente, care se incadreaza in clasa a I-a de importanta si este amplasata in zona seismica cu a_g = 0,24 g, pe baza conceptului de reducere a cerintelor seismice prin cresterea fractiunii de amortizare critica a structurii. Conceptul este materializat prin instalarea, in cadrul structurii de rezistenta, a unor mecanisme de disipare a energiei induse de seisme de tipul amortizorilor seismici cu fluid vascos, metode de interventie asupra sistemului structural existent, amplasat in zona seismica a_g = 0,24 g, in scopul punerii in siguranta si asigurarii functionarii post-seism a cladirii, pentru evenimente seismice reglementate in Codul P 100-1/2006. Cap. 3.

Descrierea constructiei

Cladirea existenta, care adaposteste functiuni ce au determinat incadrarea sa in clasa a I-a de importanta, are sistemul structural initial in cadre din beton armat. Forma generala in plan este H, constituita din 3 tronsoane denumite A, B si C, separate prin rosturi de dilatatie de 2,5 cm. 

Tronsoanele A si C sunt identice din punct de vedere structural, avand linii de cadre ordonate bidirectional, cu 3 deschideri, din care doua de 4,775 m si la mijloc de 2,40 m si 9 travei, din care prima si ultima au 3,45 m iar restul 3,25 m.

Tronsonul B, din mijloc, are 7 tra­vei, din care prima si ultima de cate 3,25 m si trei deschideri de 4,775 m, 2,40 m si 4,775 m.

Cladirea are o arie construita de 1.143 m2 si una desfasurata de 10.567 m2.

Regimul de inaltime este: la tronsoanele A si C de S+P+7(8)E, cu inaltimea de nivel, de la subsol pana la etajul 7, de 3,15 m si la etajul 8 (partial) de 3,10 m. Regimul de inal­time la tronsonul C este S+P+7E, cu inaltimea de nivel pana la etajul 6 de 3,15 m, iar la etajul 7 de 6,40 m.

In conformitate cu rezultatele incercarilor nedistructive efectuate, la structura initiala s-au utilizat urmatoarele tipuri de betoane: subsol – clasa C18/22.5 (echivalent marca B 300), parter – C 16/20 (echivalent B250), etaj 1 – clasa C12/15 (echivalent B200), iar la etajele 2÷7 – beton de clasa intermediara intre C8/10  si C12/15 (respectiv marca B170).

Peretii de compartimentare catre exterior sunt executati din zidarie gvp de 30 cm grosime, iar peretii interiori de compartimentare din zidarii de caramida, cu grosimi de 25 cm la casele scarilor, lifturi si coridor si 12,5 cm in rest.

Stalpii din fata­de, care asigurau liniile dominante ale fatadelor, erau din zidarie, rezemati pe console scurte si atasati stalpilor din beton armat care se afla in spatele lor, la interior.

Acoperisul este de tip terasa necirculabila.

Fundatiile sunt de tipul talpi armate cu bloc din beton simplu si cuzinet din beton armat.

In figura 1 se prezinta schema structurii initiale a unui etaj curent, in timp ce in figura 2 se prezinta planul structurii consolidate al unui etaj curent.

Scurt istoric

Constructia a fost conceputa in 1966, in conformitate cu „Normativul de proiectare antiseismica a constructiilor“ indicativ P13-1963 si executata in perioada 1967-1968.

Cladirea a suportat uzura din exploatarea curenta neintrerupta si actiunile seismice, dintre care cele mai semnificative au fost cele din 04.03.1977 (M = 7,2), 30.08.1986 (M = 7,0), 30.05.1990 (M = 6,7) si 31.05.1990 (M = 6,1).

In cursul anului 2007 s-a intocmit de catre dr. ing. Radu Vacareanu si ing. Dragos Badea, experti tehnici atestati, „Raportul de Completare a Expertizei tehnice” a cladirii de birouri. Din cuprinsul expertizei tehnice se desprind perioadele proprii de 1,28 s si 1,50 s la tronsoanele A si C si de 1,28 s si 1,39 s la tronsonul B, care releva flexibilitatea structurala. Urmare a investigatiilor prin calcul au rezultat grade de asi­gurare seismica de R = 0,26~0,34 la tronsoanele A si C, si de R = 0,36 la tronsonul B.

In cadrul concluziilor din expertiza tehnica se arata ca, intrucat evaluarea seismica efectuata a aratat o comportare seismica asteptata nesatisfacatoare a structurii de rezistenta la incidenta cutremurului de proiectare, sunt neaparat necesare masuri de interventie structurala.

In cadrul propunerii de consolidare se analiza posibilitatea de reabilitare structurala care se bazea­za pe conceptul de reducere a cerin­telor seismice prin cresterea fractiunii de amortizare critica a structurii, pe seama introducerii in structura a unor mecanisme de disipare a energiei de tipul „amortizori seismici cu fluid vascos“.

In cursul anului 2010 s-a intocmit, in cadrul SC Proiect Bucuresti SA, proiectul de consolidare-moder­nizare faza SF, apoi, la sfarsitul lui 2011, proiectul tehnic.

In foto 1 si 2 se releva avariile seismului din 1977, care se pot vedea si astazi, cand, din cauza fle­xibi­litatii structurii si a unei rigiditatii insuficiente la forte laterale, o serie de pereti de zidarie s-au desprins din ramele de beton fiind incompatibili cu deplasarile structurii. Unii din pereti au fost in prag de a fi expulzati, asa cum se poate observa in foto 3.

Incadrarea in clase si categorii

In conformitate cu codul P 100-1/2006 cap.3 si cu SR EN 1998-1:2004/NA:2008, hazardul seismic pentru proiectare al zonei denumita Z3 este definit de valoa­rea de varf a acceleratiei orizontale a terenului a_g = 0,24 g, definita pentru un IMR = 100 ani corespunzator ULS, si cu perioade de control de TB = 0,16 s, TC= 1,6 s si TD= 2,0 s.

In conformitate cu HGR nr. 261/1994 si cu HGR nr. 766/1997 art. 20, cladirea se incadreaza in categoria de importanta A.

In conformitate cu SR EN 1990:2004 tab. 2.1, cu SR EN 1992-1-1:2004 tab. 4.1 si cu SR EN 1992-1-1:2004/NB:2008 tab. 4.3.N, clasa structurala este S4 (constructii obisnuite cu durata de utilizare de 50 ani), iar clasa de expunere este XC3 (coroziune indusa de carbona­tare, umiditate moderata).

Conform cu NP 074/2007, ampla­samentul are risc geotehnic redus si categoria geotehnica 1.

Descrierea conceptului de consolidare

Solutia de reabilitare structurala propusa in cadrul proiectului si in acord cu propunerile si concluziile „Raportului de expertiza tehnica“, se bazeaza pe conceptul de reducere a cerintelor seismice, prin cresterea fractiunii de amortizare critica a structurii.

In figura 3 se prezinta cres­terea fractiunii de amortizare critica, obti­nuta prin introducerea in structura de rezistenta a cladirii a unor amortizori seismici cu fluid vascos.

Influenta amortizarii vascoase asupra reducerii raspunsului seismic structural este recunoscuta in dinamica structurilor si ingineria seismica. In figura 4 sunt reprezentate vibratiile libere amortizate pentru un sistem structural cu diferite fractiuni de amortizare critica intre 2% si 50%. Se poate observa influenta hotaratoare a maririi frac­tiunii de amortizare critica atat asupra amplitudinii ciclurilor cat si a numarului de cicluri cu amplitudini importante.

Amortizarea suplimentara a struc­turii de rezistenta conduce la mic­so­rarea la jumatate a raspunsului seismic al structurii exprimat in depla­­sari laterale. Sistemul de amortizori este adecvat pentru structura analizata deoarece aceasta este o cladire relativ flexibila incarcata cu forte laterale.

Principiul de alcatuire al unui amortizor seismic cu fluid vascos este prezentat in figura 5.

Parametrii amortizorilor neliniari pot fi constanta de amortizare (C) si exponentul vitezei ():

F = C ╫

 Proiectul de reabilitare structu­rala, luand in considerare propunerile de consolidare din cadrul expertizei teh­nice, propune urmatoarele:

• Legarea, pe toata verticala, a celor 3 tronsoane (A, B si C), in scopul obtinerii unei singure entitati structurale, prin camasuirea cu beton armat si anveloparea stalpilor adiacenti de la liniile fatadelor la cuplare, realizarea unor pereti structurali din beton armat, prin inlocuirea peretilor existenti din zidarie de caramida, cu realizarea unor rigle de cuplare din beton armat si cu camasuirea stalpilor de la cuplare si transformarea lor in bulbi de pereti, si respectiv, realizarea a 4 gusee / nivel din beton armat la nivelul placilor, cate doua la legatura dintre A si B, respectiv inca doua intre B si C.

Suplimentar, pentru imbunatatirea transferului la nivelul saibei orizontale, se introduc, la fiecare etaj suprateran, colectori din platbanda de otel mascati in sapa de pardoseala, solidarizati de placa existenta cu ancore chimice si sudati de armatura rigida din stalpii BAR;

• Realizarea unor cadre din BA si, in anumite pozitii, din BAR, adiacente celor existente, la toate fatadele; in deschiderile cadrelor BAR se vor instala mecanismele de disipare a energiei de tipul amortizori seismici cu fluid vascos (ASFV). Cadrele noi se vor realiza pe la exteriorul celor existente, prin demolarea stalpilor de zidarie atasati la exteriorul stalpilor din beton armat existenti. Amplasarea in cadrele BAR in pozitii diagonale, pe ambele directii principale, la toate corpurile, la toate nivelurile incepand cu parterul, a mecanismelor ASFV, cu rol de micsorare semnificativa a deplasarilor laterale totale, a depla­sarilor relative de nivel si a drifturilor relative de nivel, prin marirea fractiunii din amortizarea critica de la  = 5% la  = 30%. Zonele in care se insta­leaza ASFV au fost stabilite ca urmare a unor analize complexe, inca de la primele modelari, pentru optimizarea raspunsului si pentru a nu avea efecte indirecte cumulate. Astfel, se instaleaza cate 4 meca­nisme ASFV pe fiecare directie, la fiecare nivel suprateran si la toate tronsoanele, cu exceptia ultimului etaj de la tronsonul B, unde s-a proiectat o legatura puternica intre tronsoanele adiacente de tipul a 2+2 grinzi pereti;

• Camasuirea metalica a stalpilor interiori, de la subsol la etajul 3 inclusiv, pentru compensarea ductilitatii si a deficitului de capacitate de forta taietoare, fara penetrarea planseelor si fara metalizarea nodurilor, precum si camasuirea metalica a stalpilor si a nodurilor de cadre de la fatade, la toti stalpii adiacenti cadrelor de BAR;

• Realizarea, la exterior, a unui contur perimetral de pereti structurali din BA si BAR la subsol;

• Eliminarea, prin reconfigurare locala, a celor 4 zone cu bovindouri din zidarie de caramida de la etajul 1 pana la etajul 7 inclusiv, zone care s-au comportat nesatisfacator la seismul din 1977, atunci cand zidariile s-au desprins si dislocat din ramele de beton existente (foto 3) si reali­zarea, pe aceste pozitii, la verticala parterului, a unor cadre BAR;

• Interventii la fundatiile de pe conturul exterior, precum si a celor interioare de la cuplarile dintre tronsoane, pentru corecta transmitere la teren a noilor sarcini aduse de sistemul de consolidare;

• Inlocuirea parapetilor de la terasa, executati initial din zidarie de caramida, cu parapeti BA;

• Datorita functiunii cladirii, care trebuie mentinuta, in timpul si imediat dupa evenimente seismice, se cama­suiesc peretii interiori de compartimentare la dubla fata cu CFRP.

Abordarea analizelor structurale

In conformitate cu P 100-1 / 2006 pct. A.7 si cu SR EN 1998-1:2004 / NA:2008 pct. 3.2.2.2 spectrul de ras­puns elastic pentru T_B<T< T_C este:

S_e(T) = S_e(T)_(5%) 

in care S_e(T)_(5%) este spectrul de raspuns elastic pentru componentele acceleratiei terenului in amplasament, corespunzator unei fractiuni din amortizarea critica de 5%, iar  reprezinta factorul de corectie, care tine cont de amortizarea efectiva  = ╓(10)/(5+25) =  0,577 > 0,55, in situatia introducerii ASFV cu un aport suplimentar de 25% fractiune din amortizarea critica.

Pentru a se lua in considerare stadiul de lucru fisurat al elementelor din beton armat, rigiditatea acestora a fost redusa la 50%, iar a elemen­telor BAR la 70%, conform cu P100-1/2006 si respectiv NP 033/1999, astfel incat in modelul de calcul 3D s-au introdus moduli de elasticitate diferentiati pentru betoanele noi de clasa C25/30, respectiv pentru cele existente determinate din incercari.

Caracteristicile materialelor utilizate sunt redate in tabelul 1.

Noile cadre de fatada au fost conectate la fiecare nivel de structura existenta. Figura 6 prezinta modelul 3D pentru structura consolidata, in care, la cadrele noi adaugate la fatade, s-au marcat diferentiat zonele cu BAR.

Amortizorii seismici cu fluid vascos din amplasamentele stabilite s-au pozitionat in sistem diagonal, prin elemente LINK in cadrul programului ETABS.

A fost analizata posibilitatea folo­sirii amortizorilor neliniari. Caracteristicile acestora au fost stabilite pe principiul disiparii egale de energie pana la deplasarea tinta comparativ cu un amortizor liniar, intrucat avantajul utilizarii unui amortizor neliniar este de reducere a fortei maxime din amortizor.

La analiza prin calcul a modelului structural 3D, s-a utilizat combinarea efectelor componentelor orizontale ale actiunii seismice cu urmatoarele combinatii:

E_Dx + 0,3 E_Dy

0,3 E_Dx + E_Dy

in care:

E_Dx – reprezinta efectele actiunii datorate aplicarii miscarii seismice pe directia axei orizontale x-x  alese pentru structura;

E_Dy – reprezinta efectele actiunii datorate aplicarii miscarii seismice pe directia y-y perpendiculara pe axa orizontala x-x.

In cadrul studiului de fata s-a utilizat analiza dinamica liniara pentru proiectarea si verificarea sistemului cu amortizori seismici cu fluid vascos (ASFV). Analizele s-au efectuat utilizand 5 accelerograme artificiale compatibile cu codul de proiectare P100-1/2006 pct. 3.1.2.

Sistemul structural s-a proiectat pentru un factor de comportare q = 4.

Accelerogramele au fost amplificate cu coeficientul de importanta si expunere  = 1,4, datorita clasei de importanta a cladirii.

Figura 7 prezinta una dintre cele 5 acelerograme, cu o durata de timp de 20 secunde, si un interval discretizat la 0,02 secunde.

Dupa o serie de rulaje de optimizare si de acordare a amortizarii (tuning damping) au rezultat urmatoarele:

• utilizarea de amortizori seismici cu fluid vascos cu capacitate de 100 tf pe directie y-y (transversala) si de 75 tf pe directie x-x (longitudinala paralela cu latura lunga de la tronsonul B);

• exponent al vitezei  = 0,5;

• constantele amortizorilor variind intre C = 180 la 500 [t(s/m)0,5];

• cursa pistonului ± 100 mm

Structura consolidata cu cadre inalt disipative are de preluat, in termeni de forta orizontala echivalenta, F_b = ₁S_d(T)m = 1,4 x (0,24 g x 2,75)/(4) x 0,85 x G/g = 0,1963 x G, adica 19,63% din greutatea calculata pentru ipoteza speciala, determinata conform CR 0-05.

Datorita instalarii amortizorilor seismici cu fluid vascos (ASFV), cu marirea fractiunii din amortizarea critica de la  = 5% la  = 5+25 = 30%, se obtine o forta orizon­tala echivalenta de F_b = ₁S_d(T)m = 1,4 x (0,24 g x 2,75 x 0,577)/(4) x 0,85 x G/g = 0,113 x G, adica pentru 11,3% din G. Astfel ca, in termeni de forta de cod, instalarea ASFV conduce la o diminuare cu 42% a fortei orizontale echivalente fata de sistemul structural existent consolidat in sistem clasic cu material compozit (BAR).

Relatiile pentru proiectarea ancorajelor de conectare in beton de slaba rezistenta (sub 15 N/mm2) s-au stabilit consultand concluziile din lucrarea “Experimen­tal Study on post-install anchors at low strength RC members” de Yama­moto Y., Akiyama T.

Figura 8 prezinta schema de montaj, in pozitie diagonala, a unui amortizor seismic cu fluid vascos (ASFV), cu prin­dere de elementele rigide ale cadrelor BAR.

In final, echipa de proiectare aduce, si pe aceasta cale, mul­­tumiri celor doi consilieri, ing. Dragos Badea si dr. ing. Radu Vacareanu, pentru solicitudine si pentru sfaturile si indrumarile care ne-au fost de un real ajutor in abordarea si ducerea la bun sfarsit a unui proiect de reabi­litare structurala complex si cu elemente de noutate.

Bibliografie

„Raport de Completare a Expertizei tehnice” dr. ing. Radu Vacareanu si ing. Dragos Badea, experti tehnici atestati;

„Cod de proiectare seismica pentru cladiri – Partea a I-a: prevederi de proiectare pentru cladiri” indicativ P 100–1/2006;

„Cod de proiectare seismica – Partea a III-a: prevederi pentru eva­lu­area seismica a cladirilor existente” indicativ P 100–3/2008;

„Regulament privind stabilirea ca­tegoriei de importanta a construc­tiilor” HGR nr. 261/1994;

„Reglementari privitoare la asi­gurarea calitatii constructiilor si urmarirea comportarii in exploatare” HGR nr. 766/1997;

„Bazele proiectarii structurilor” indi­cativ SR EN 1990:2004;

„Proiectarea structurilor de beton – reguli generale si reguli pentru cladiri” indicativ SR EN 1992-1-1:2004/NB:2008, Anexa nationala;

„Dispozitive antiseismice” indicativ SR EN 15129:2010;

„Normativ privind documentatiile geotehnice pentru constructii” indi­cativ NP 074–2007;

„Experimental Study on post-install anchors at low strength RC members” de Yamamoto Y., Akiyama T. et al. – 2000.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 90 – martie 2013, pag. 28

Autori:
Bogdan Georgescu,
Vasile Gae,
Andreea Georgescu – SC Proiect Bucuresti SA
Basarab Chesca – Universitatea de Arhitectura si Urbanism Ion Mincu Bucuresti