Abordari noi privind conformarea, calculul si alcatuirea structurilor constructiilor moderne

In disciplinele specifice realizarii structurilor noi sau interventiilor la structurile existente, pe masura ce se acumuleaza tot mai multe cunostinte, cresc, pe de o parte, cerintele si pe de alta parte, necesitatea optimizarii realizarilor. Aceasta inseamna ca structurile, respectiv constructiile, trebuie realizate si intretinute cu costuri cat mai mici, pentru perioadele de timp si actiunile preconizate, la niveluri de performanta unanim acceptate. Asemenea abordari au fost intotdeauna si vor fi, in linii mari, aceleasi in toate tarile. Este evident, insa, ca ele au nuante specifice in functie de caracteristicile actiunilor luate in consi­deratie si de nivelul dezvoltarii socio-economice si culturale al fiecarei tari.

In lucrarea de fata sunt detaliate abordarile noi, care sunt din ce in ce mai prezente in conformarea, calculul si alcatuirea structurilor constructiilor noi, realizate cu elemente din beton armat, metal, fibre inglobate in polimeri sau controlul izolarii bazei acestora.

DESCRIEREA NOILOR ABORDARI

a. Plecand de la ideile si testele initiate de Priestley, Kurama si altii, in ultima decada a secolului trecut s-au intensificat in SUA cercetarile si testele pentru introducerea suban­samblurilor postcomprimate.

Este vorba de prefabricate din beton, cu tendoane neaderente, amplasate in mijlocul sectiunilor sau in zona axei neutre a sectiunilor, in stadiul elastic, rigle de cuplare cu adaosuri de dispozitive metalice de disipare diferite pentru spaleti si riglele de cuplare. In (1), (2) si (3) sunt aratate principiile cercetarilor si evaluarile prin calcul, pentru astfel de subansambluri, care pot fi inglobate in structurile din zonele seismice.

Din figurile 1, 2, 3, 4 si 5 se pot vedea si intelege care sunt principalele aspecte ale acestor abordari, privind intrebuintarea elementelor prefabricate din beton armat, conectate cu tendoane postintinse neade­rente si dispozitive de disipare a energiei din otel obisnuit. Contactul intre elementele prefabricate si cele metalice se face cu un mortar beton special.

Trebuie subliniate aspectele cele mai importante pentru aceste subansambluri, precum si avantajele si dezavantajele lor in comparatie cu cele din beton armat monolit obisnuite. Astfel, intrebuintarea prefabrica­telor asigura realizarea unor elemente cu beton omogen de rezistenta superioara, cu armari rationale. Prin posttensionare, acestea conduc la structuri care, in zone seismice trecute prin deformatii mari, pana la q = 25‰ la spaleti si q = 50‰ la rigle de cuplare, au deformatii remanente mult mai mici in comparatie cu structurile din beton armat monolit. In con­secinta, degradarile sunt reduse iar posibilitatile de reparare si inlocuire sunt mai mari.

Dezavantajul major consta in ductilitatea redusa a acestora, ducti­litate care poate fi obtinuta numai prin dispozitive ajutatoare de disipare a energiei, proportionate cores­punzator cu marimea fortelor capabile din tendoanele postintinse, mai ales in cazul riglelor de cuplare. Acestea, la randul lor, trebuie sa conduca la un coeficient de cuplare moderat, (0,30÷0,45) pana la 0,60 maximum, al subsistemului spaleti-rigle de cuplare. O asemenea proportionare, coroborata cu interpretarea rezultatelor din figura 3, arata ca, pentru limitarea aportului tendoa­nelor posttensionate (in preluarea fortei taietoare asociate din riglele de cuplare) de 0,45÷0,70, este depasita cerinta minima si anume ca indicatorul b de disipare a energiei sa fie superior valorii b = 0,125.

In momentul de fata, aplicarea cercetarilor din acest domeniu este posibila, cel putin in tarile avansate, atata timp cat se aplica posttensio­narile cu tendoane neaderente la placi si la pile de poduri iar materialele compozite, dispozitivele si sub­­ansamblele cu un grad ridicat de tehnologie sunt tot mai des promovate.

b. La structurile metalice noi sau la interventiile pentru structurile existente, se preconizeaza, in ultimul timp, intrebuintarea unor sisteme disipative metalice, relativ simple. Amplasate in zonele de legaturi ale elementelor liniare, acestea pot fi inlocuite, daca au fost scoase din functiune dupa cutremure mari.

Este cazul structurilor metalice cu deschideri mari si putine niveluri, la care mecanismul global de colaps permite utilizarea unui sistem ajutator de disipare a energiei direct in noduri sau prin sistemul de contravantuiri, care sa foloseasca legaturi disipative corespunzatoare.    

In figurile 6, 7, 8, 9 si 10 sunt ilustrate din (4) diferentele de principii intre mecanismul de plasticizare la o conexiune de tip T clasica si una nou propusa, analizata prin incercari, la care mecanismul de plasticizare este mai eficient, atat ca disipare a energiei cat si ca numar de cicluri alternante.

c. In (5) este facuta o propunere, bazata pe principiile stipulate in FEMA-420, privind interventiile gra­duale si incrementale pe structurile existente, cu sisteme care sa folo­seasca elemente metalice intinse, ajutate de dispozitive de disipare a energiei prin frecare sau prin plasticizare.

Figurile 11, 12 si 13 ilustreaza principiile de alcatuire si modul de lucru in cazul acestei solutii: ca dispozitiv de disipare prin frecare (fig. 11), si prin plasticizarea elementului disipativ (fig. 12, 13).

d. Pentru abordarile noi prin calcul, se pot extrage din lucrarea noastra din 2011  prezentata la conferinta AICPS (8), ideile principale, acelea ale eficientei calculului pentru stadiul de colaps, folosind legi constitutive adecvate, cu analize dinamice di­recte si ale definirii riscului seismic al constructiilor, cu ajutorul vulnera­bi­litatii exprimate prin curbele de fragilitate.

e. Intrebuintarea  materialelor com­pozite polimerice armate cu fibre, sub forma de panze sau benzi laminate armate cu fibre, a capatat, la noi, o intrebuintare din ce in ce mai mare. Avem un normativ care reglemen­teaza o asemenea solutie (NP 117-04).

Sunt prezentate din (6) noi combinatii realizate din aceste categorii, rezultate din utilizarea de fibre noi. Astfel, sunt intrebuintate filamente din otel cu rezistente foarte mari, fibre de bazalt si biofibre.

In figura 14, dupa (6), se arata care sunt caracteristicile de rezistenta si deformatii ale celor mai cunoscute fibre impregnate in dife­rite materiale epoxi.

Privind aceste relatii – rezistente-deformatii specifice – se atrage atentia ca aceste materiale compozite nu au ductilitate. Ele pot fi intrebuintate numai daca se are in vedere posibilitatea imbunatatirii caracteristicilor de rezistenta si deformatie ale elementelor structurale si ale structurilor doar in domeniul elastic. Sunt, deci, efici­ente pentru imbuna­tatirea capaci­tatilor de rezistenta si deformatie la mecanismul de rupere din forta taie­toare, la confinarea elementelor cu solicitare predominanta din compresiune sau la fretarea zonelor in care elementele nu pot fi asigurate cores­punzator.

In (6) sunt exemplificate interventiile complexe cu bare post intinse (fig. 15), o combinatie de utilizare a diferitelor tipuri de panze sau conectori din fibre (fig. 16), precum si un sistem de control si monitori­zare a calitatii si comportarii, in timp, a unor astfel de interventii (fig. 17).

f. Din septembrie 2010 este in functiune in Japonia o constructie pentru un centru de cercetare (7), la a carei structura au fost folosite concepte, tehnologii si materiale de ultima generatie.

S-a realizat in primul rand, un sistem de control activ al izolarii bazei, prin utilizarea de izolatori clasici (LRB) si de amortizori vascosi si cu frecare, cuplati cu sistemul activ de control al miscarilor de raspuns ale constructiei. Au mai fost intrebuin­tate beton de inalta rezistenta f_ck = 160 Mpa (fig. 18), turnat in tevi de otel cu 780 MPa limita de curgere pentru stalpi, stalpi cu diametrul de 50 cm la deschideri 18,00 x 16,20 ÷ 19,80 m si inaltimi de nivel de 4,00 ÷ 5,50 m (fig. 19).

Pentru doua pasarele (fig. 20), cu deschideri  de 14,00 m si inaltime a sectiunii de 33,5 cm, s-a intrebuintat un mortar beton de inalta rezistenta (170 MPa rezistenta la compresiune) si o rezistenta la intindere de 11 MPa, armat cu fibre de otel care au condus la o ductilitate mare. S-a realizat o tur­nare speciala a acestui material compozit, ajutat cu 6 tendoane post­intinse de 21,80 mm.

De asemenea, s-a implementat un sistem de amortizoare cu masa, care va ajuta la controlul vibratiilor si deformatiilor acestui element structural.

Supletea elementelor structurale, precum si faptul ca aceasta constructie este conceputa sa lucreze in domeniul elastic, dar cu acceleratii la varful constructiei de 10 ori mai mari decat un sistem de izolare pasiv, reduce, la randul ei, de 2÷3 ori aceste acceleratii, in comparatie cu un sistem neizolat, avand o perioada de vibratie fundamentala de 5 sec. si un factor de amortizare de 20%.

CONCLUZII

In ultima perioada de timp, in majoritatea tarilor lumii, inclusiv la noi, au crescut cerintele privind eva­luarile prin calcul datorate diferitelor actiuni pentru elementele structurale si nestructurale ale constructiilor. Pe de alta parte, tendinta fireasca de a realiza constructii performante, la un cost cat mai redus posibil, conduce la experimentarea unor solutii noi pentru conformarea, alcatuirea, calculul si detalierea structurilor, care sa raspunda acestor deziderate.

Intre aceste solutii ar fi alcatuirea peretilor structurali prefabricati din beton armat, cu legaturi in fundatii numai cu tendoane neaderente post­­intinse, amplasate in centrul sectiunilor dispozitivelor de disipare de langa tendoane.

Pentru peretii structurali cuplati: spaletii din beton armat monolit, cu legaturi obisnuite cu fundatiile, au riglele de cuplare prefabricate din beton armat, conectate cu spaletii cu tendoane postintinse neaderente, ajutate de elemente disipative ale energiei din profile me­talice in forma de corniere prinse cu buloane inglobate in spaleti, respectiv riglele de cuplare.

Ambele sisteme au avantajul rea­lizarii unor elemente cu caracteristici de rezistenta si deformatie superioare datorita prefabricarii, a unor remedieri usoare dupa cutremure si a unor deformatii remanente reduse in comparatie cu solutiile clasice din beton armat monolit.

Dezavantajele apar, in primul rand, din caracterul nedisipativ al ar­marii, cauzat de tendoanele nea­de­rente care trebuie ajutat de dispo­zitive auxiliare de disipare a energiei.

Pentru structurile metalice noi si pentru cele existente, o alta preocupare este realizarea de sisteme de contravantuire in care sa se evite barele ce flambeaza prin compresiune in stadiile avansate ale soli­citarilor, conducand la meca­nisme periculoase de colaps.

Acestea se realizeaza atat ca mecanisme de disipare a energiei ce evita flambajul barelor, cat si prin sistemul de bare care lucreaza numai la intindere, ajutate de dispozitive de disipare a energiei prin frecare sau incovoiere in domeniul plastic.

Trebuie acordata atentie modului cum conlucreaza asemenea subsisteme cu restul elementelor structurale in care sunt introduse, pentru a nu conturba, local sau general, comportarea lor, mai ales la actiunile seismice. Intrebuintarea materialelor compozite, realizate din fibre de diferite materiale si matrici polime­rice sau mortar special, a capatat, de asemenea, forme si alcatuiri noi.

Este de mentionat ca, la noi, astfel de abordari si aplicarea lor se fac in mod constant, in cazurile si conditiile proprii intrebuintarii unor astfel de materiale si a tehnologiilor aferente. 

Constructia realizata in Japonia, functionala din 2010, la care s-a folosit sistemul de control activ al izolarii bazei si materiale de inalta rezistenta, cu ductilitati cores­pun­zatoare si dispozitive de disipare ajutatoare, este un exemplu de varf spre care trebuie sa tindem si sa nu ne sperie.

BIBLIOGRAFIE

1. „Nonlinear Behaviour of Precast Concrete Coupling Beams under Lateral Loads“ – B. D., Weldon and Y. C. Kurama, Journal of Structural Engineering, ASCE  – November 2007;

2. „Analytical Modeling and Design Validation of Posttensioned precast Concrete Coupling Beams for Seismic Regions“ –  B.D., Weldon and Y. C. Kurama, Journal of Structural Engineering, ASCE – February 2012;

3. „Seismic Performance of Self-Centering Structural Walls Incoroporating Energy Dissipators“ – J. I. Restrepo, Amar Rahman, Journal of Structural Engineering, ASCE  – November 2007;

4. „Experimental Behaviour and Mechanical modeling of Dissipatice T-Stub Connections“  –  M. Latour, G. Rizzano, Journal of Structural Engineering, ASCE – February 2012;

5. „Rapid Seismic Rehabilitation Strategy; Concept and Testing of Cable Bracing with Couple rezisting Damper“ – M. Kurata, R.T. Leon, R. DesRoches – Journal of Structural Engineering, ASCE – March 2012;

6. „Case studies on Advanced Composite Materials for Civil Engineering and Architectural Appplications“ – Emo Angeloni, Paolo Casadei – Structural Engineering International IABSE – August 2011;

7. „Advanced Technologies Applied at the Techno Station Building in Tokyo, Japan“ – Fumiaki Endo and all – Structural Engineering International IABSE –  November 2011;  

8. „Abordari noi privind eva­luarile prin calcul pentru determinarea vulnerabilitatii constructiilor existente“ – Mircea Mironescu, Adrian M. Stanescu, Teodor Brotea, Radu Comanescu, Daniel Purdea, Mircea V. Stanescu – Revista AICPS 3/2011.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 92 – mai 2013, pag. 16

Autori:
ing. Mircea Mironescu,
ing. Adrian Mircea Stanescu,
ing. Teodor Brotea,
ing. Radu Comanescu,
ing. Daniel Purdea,
ing. Mircea Vlad Stanescu

(Sursa: Revista AICPS nr. 1-2/2012)