Influenta conexiunii dintre otel si beton asupra comportamentului cadrelor din otel cu plansee din beton armat

In cazul cadrelor compuse otel-beton, de tip contravantuite excentric (EBF) sau rezistente la momente (MRF), practica de proiectare curenta prevede deconectarea dalei din beton de grinda metalica in zonele potential plastice. In consecinta, calculul se realizeaza considerandu-se articulatii plastice simetrice ca­racteristice elementelor metalice. In realitate, datorita conexiunii din zonele adiacente nedisipative si a contactului cu dala din beton, comportamentul acestor zone plastice poate fi diferit de ipoteza simetrica. Lucrarea de fata prezinta rezultatele si concluziile testelor experimentale si numerice efectuate in cadrul laboratorului CEMSIG al Universitatii Politehnica Timisoara, pe cadre duale necontravantuite sau contravantuite excentric pentru validarea acestor ipoteze. 

Atat cadrele contravantuite ex­centric, cat si cele necontravantuite, sunt recunoscute ca sisteme structurale bune pentru disiparea energiei seismice prin elemente de tip “link”, respectiv zona de imbinare grinda-stalp. Utilizarea sectiunilor compuse, atunci cand este considerata cuplarea celor doua sisteme structurale (rezultand configuratii de cadre duale), fie in stalpi, fie in grinzi, conduce la imbunatatirea rezistentei si cresterea globala a rigiditatii structurale [1, 2].

In cazul cadrelor compuse otel-beton, normele seismice moderne [3-5] prevad deconectarea elementelor de otel si beton in zonele potential plastice si adoptarea unui comportament plastic simetric pentru grinda compusa, similar unei sectiuni din otel. Aditional, sunt date prescriptii referitoare la conectori si dispunerea acestora, la armarea suplimentara a placii in zona de imbinare grinda-stalp si cerinte speciale pentru elementele disipative (sectiunile 7.6.2, 7.7.1, 7.7.5 si 7.9.3 din Eurocodul 8).

Cercetarile in domeniu [1, 6, 7] pe grinzi cu sectiune compusa s-au axat, in principal, pe efectul conexiunii si au investigat mai putin parametrii ce influenteaza compor­tamentul articulatiilor plastice care se dezvolta in cele doua zone cheie ale cadrelor duale: capetele grinzilor, in cazul cadrelor necontra­vantuite (MRF), respectiv elementul de link, in cazul cadrelor contravan­tuite ex­centric (EBF).

Programul experimental

Testele experimentale efectuate in cadrul laboratorului CEMSIG al UP Timisoara au fost efectuate pe subansamble la scara reala, rezultate din dimensionarea unei structuri P+4 de dimensiuni reale si au vizat doua zone care reprezinta cheia in disiparea energiei seismice: cadre de tip EBF, respectiv nodurile cadrelor MRF. In cazul imbinarii s-a considerat solutia grinzii cu sectiune redusa (RBS).

Testele efectuate pe cadre de tip EBF cu link scurt

Figura 2 prezinta schema tes­telor din laborator. Prinderea cadrelor la baza a fost articulata, pentru a se putea controla forta maxima necesara dezvoltarii articulatiei plastice in link, in varianta compusa.

Deschi­derea cadrului este de 4,5 m, iar inaltimea stalpului de 3,5 m. In total au fost testate 8 specimene, configuratiile acestora fiind date in Tabelul 1.

Caracteristicile comune ale elemen­­telor sunt prezentate mai jos:

• stalpi – HEB260 (otel S355);

• grinda si link – HEA200 (otel S235);

• contravantuiri – HEA180 (otel S355);

• placa din beton armat de 12 cm, C20/25;

• bare de armatura de 12 mm dispu­se la 15 cm detaliate conform [8, 9];

• conectori de tip gujon cu cap (Nelson) 019/100 mm.

In timpul testelor nu au fost observate degradari structurale in noduri sau la baza stalpilor, dar au existat mici alunecari in imbinarile de continuitate ale contravantu­irilor (2-8 mm), fapt ce a permis schimbarea simpla a elementului degradat (grinda) la fiecare test. Nu au fost inregistrate nici deformatii remanente ale contravantuirilor. Prin urmare, comportamentul intregului cadru a fost considerat satisfacator. Depla­sarile laterale au fost impiedicate prin dispunerea unor cadre de ghidaj.

Rezultatele testelor experimentale efectuate pe cadre EBF

Figura 3 prezinta comparatii ale curbelor infasuratoare rezultate din testele incarcate ciclic. Se poate aprecia faptul ca toate specimenele au avut un comportament excelent in termeni de rotire. Aceasta rezulta din comparatia rotirilor ultime ale elementelor de link cu cerintele de rotire minima ale Eurocode 8 si P100: 80 mrad. Specimenul din otel (EBF_LF_C – fara beton) a servit ca baza de comparatie.

In ambele cazuri (metalic si compus) specimenele au avut un comportament stabil prin cicluri complete. Totusi, in solutia compusa se constata o crestere substantiala a fortei ultime si a rigiditatii initiale, respectiv valori cu pana la 30% mai mari decat in cazul elementului metalic. Se poate observa ca indiferent de gradul de conexiune (partiala sau totala), rezistenta nodurilor compuse este similara. Prin urmare, se poate afirma ca in cazul elementelor de tip link deconectarea grinzii metalice de planseul din beton armat nu conduce la un comportament similar unui element metalic. In schimb, modul de cedare este similar, prin forfecarea elementului de link, dupa cum se poate observa in figura 4.

Testele efectuate pe noduri grinda-stalp cu sectiunea redusa a grinzii (RBS)

Similar cu testele pe cadre EBF, cele patru specimene de noduri grinda-stalp au fost concepute in solutie metalica si compusa, cu sau fara conectori in zona potential plastica. Tabelul 2 prezinta parametrii urmariti in testele experimentale. Figura 5 prezinta dispozitivul de testare in laborator.

Nodurile testate au avut urmatoarele caracteristici comune:

• stalp HEB260 (lungime 3.500 mm, otel S355);

• grinda HEA260, de lungime 2.400 mm, otel S235, cu sectiune redusa in zona de imbinare;

• placa din beton cu caracteristici similare cadrelor EBF (latimea de 1.000 mm).

Rezultatele testelor experimentale efectuate pe noduri grinda-stalp

Figura 6 prezinta, comparativ, curbele infasuratoare ale nodurilor testate. Din interpretarea rezultatelor reiese ca specimenele compuse se comporta similar, indiferent de gradul de interactiune din zona disipativa. In schimb, diferentele dintre specimenul metalic si cele compuse privesc atat forta maxima cat si rigi­ditatea nodului (existand o cres­tere a rigiditatii pentru specimenele compuse).

Concluzii ale testelor experimentale

Obiectivul principal al testelor experimentale a fost acela de a studia influenta interactiunii dintre elementul metalic si dala din beton asupra raspunsului histeretic al zonelor disipative, care se formeaza in cadrele de tip MRF si EBF.

Principalele concluzii ale studiului:

• simpla deconectare a profilului metalic de placa din beton, deasupra zonei disipative, nu este
sufi­ci­enta pentru a asigura un comportament asemanator cu cel al unei sectiuni din otel. In realitate, com­portamentul este aproape identic cu cel in care se considera o sectiune compusa cu conexiune totala;

• in ambele situatii sectiunea compusa sporeste rezistenta glo­bala si rigiditatea zonelor disipative,
mentinand, in acelasi timp, caracterul ductil al solutiei;

• trebuie acordata o atentie deo­sebita alcatuirii si fabricarii elementelor ductile, deoarece o marca de otel gresita sau o sudura neconforma pot duce la comportamente nedorite si totodata nesatisfacatoare.

Programul de simulari numerice

Calibrarea raspunsului numeric

Programul de simulari numerice are ca scop studiul comportamental structural in functie de gradul de inter­actiune “grinda metalica – placa din beton” prin analize numerice rea­liste. Primul pas in acest scop este calibrarea, pe baza rezultatelor experimentale, a elementelor finite folosite in analize structurale.

Programul de calcul folosit este SAP2000 v. 14.2.2. Modelul structural contine elemente de tip bara, cu posibile articulatii plastice la ambele capete.

Modelele pentru articulatiile plastice au fost calibrate pe baza rezultatelor din testele experimentale descrise. Articulatiile plastice sunt modelate prin curbe multi-lineare de raspuns (fig. 8) care urmaresc fidel curbele experimentale de raspuns.

Modelul permite definirea caracteristicilor diferite pentru partea pozitiva respectiv ne­gativa de raspuns. Pe baza acestor curbe initiale de raspuns au fost create curbe multi-liniare normalizate de raspuns pentru cele doua zone plastice (fig. 9): capetele grinzilor in zona de sectiune redusa respectiv elementul de link.

Pentru un raspuns fidel al grinzii cu sectiune compusa a fost efectuata o calibrare preliminara pe un cadru de tip EBF (fig. 10). Grinda compusa este modelata printr-un profil metalic prins de placa din beton. Elementul definit de fibre, de tip “shell” iar conexiunea dintre beton si metal este asigurata prin intermediul unei legaturi rigide de tip “link”. Pentru placa din beton s-a optat pentru o impartire optima a placii din beton in elemente finite, cu o distributie mai fina in apropierea zonei potential plastice. Figura 14 demonstreaza faptul ca rezultatele numerice obtinute urmaresc fidel raspunsul experimental al specimenului EBF_LF2_Comp_Cl.

Rezultatele analizelor numerice

Utilizand modelele calibrate ale elementelor si articulatiilor plastice in conformitate cu descrierile anterioare, a fost efectuat un amplu program de analize numerice pe cadre de tip MKF, EBF si duale MKF+EBF, pe 8 familii de cadre (fiecare in varianta metalica si compusa), cu regim de inaltime de 5 pana la 13 nivele. Analizele au inclus analize neliniare de tip push-over si incremental-dinamice (IDA) utilizand 7 accelerograme inregistrate din sursa seis­melor Vrancea. Rezultatele complete ale acestor analize sunt disponibile in [10, 12]. In prezenta lucrare sunt oferite rezultatele cadrului dual MRF+EBF cu 9 nivele considerat un comportament relevant pentru structurile analizate. In prezentarea rezultatelor a fost folosita scara de reprezentare a rotirilor din articulatiile plastice din Tabelul 3.

Figura 11 prezinta rezultatele analizelor de tip push-over pentru diferite valori ale deplasarii la varf: 90, 180 respectiv 230 mm. Ultima valoare corespunde deplasarii maxime la starea limita ultima (ULS).

Comparand rezultatele obtinute pentru cadrul metalic respectiv compus, se pot mentiona urmatoarele:

• Pentru ambele structuri (otel si compusa), la starea limita de serviciu (SLS) se dezvolta articulatiiplastice doar in elementele de tip link.

• La SLU, se ating rotiri maxime in link, la nivelele intermediare ale cladirii, iar zonele RBSdezvolta doar o plasticizare initiala. In aceste conditii se poate presupune ca, dupa inlocuirea link-urilor, cladirea ar putea sa revina la starea initiala, in cazul unui cutremur sever.

• In mod previzibil, structura compusa, avand un comportament mai rigid, nu atinge deplasarea tintapentru SLU, insa, cu toate acestea, nu sunt afectate elementele care lu­creaza in domeniul elastic. Prin urmare, se poate aprecia ca structura cu grinzi compuse conduce la un comportamentsatisfacator.

In cazul analizelor de tip dinamic, cu accelerograme incrementate, la fiecare pas al scalarii accelerogramelor au fost monitorizate rotirile plastice maxime tranzitorii, inregistrate la nivelul grinzilor si al elementului de tip link, deplasarile maxime tranzitorii dintre nivele si deplasarea maxima la varf.

Pentru cutremurul Vrancea 77 (inregistrarea INCERC N-S), sunt prezentate in figura 12 rezultatele comparative intre structura metalica si cea compusa, prin prezentarea rotirilor de la nivelul grinzilor, a elementului de tip link, respectiv a deplasarii relative de nivel. In acest caz, accelerograma a fost scalata pentru a corespunde unei acceleratii maxime (PGA) de 0,24 g, corespunzatoare SLU.

Cea mai mare deplasare relativa de nivel se observa in ambele cazuri la nivelul 2, insa valoarea maxi­ma (aproape 2%) nu depaseste limi­tele stipulate in P100/2006 si Eurocodul 8.

Caracterul rigid al cadrului com­pus se poate observa si in reducerea deplasarilor relative cu pana la 25% fata de structura meta­lica.

Disiparea energiei induse se face primordial in elementele de link, acestea avand cerinte ale rotirilor de maximum 110 mrad in grinda meta­lica, respectiv 80 mrad in varianta compusa. Pe de alta parte, inceputul plasticizarii in elementele disipative ale grinzilor (sectiunea redusa) s-a inregistrat doar dupa formarea arti­culatiilor plastice din elementele de link.

Pe inaltimea cladirii, elementele disipative ale grinzilor au intrat in lucru pana la nivelul 6 (structura metalica) si respectiv 5 (structura compusa). Totusi, in cazul acestora, valorile rotirilor inregistrate in grinda metalica au fost considerabil mai mari decat in varianta compusa.

Figura 13 prezinta diferentele inregistrate la starile limita (SLS si respectiv SLU) pentru aceiasi parametri monitorizati, deplasarile relative de nivel si rotiri in elementele disipative. In aceste cazuri, accele­rograma a fost scalata corespunzator pentru nivelele SLS si SLU.

Conditia analizei SLS a fost defi­nita printr-un increment al accelerogramei (l = 0,5). La aceasta inten­sitate se observa diferente relativ mici intre comportamentul structurii me­talice si cel al structurii compuse, in ceea ce priveste deplasarile de nivel si rotirile din grinzi. Pentru elementul de link, insa, exista diferente importante intre cele doua tipologii, de pana la 40 mrad. Se mentine caracterul mai rigid al structurii compuse.

Figurile 14 si 15 prezinta valorile maxime, pe nivele, ale parametrilor monitorizati pentru toate cele sapte accelerograme considerate in ana­lizele incremental dinamice (scalate nivelului ULS al acceleratiei maxime). Se poate observa ca ambele confi­guratii structurale (metalica si compusa) sunt incadrate in cerintele acceptate de drift (2,5% din inal­timea etajului) si de rotiri minime necesare pentru o structura disipativa. Totusi, in unele cazuri (accelerogramele Vrancea 77 si 86), la structura meta­lica se observa depasirea ce­rintei de rotire in link la SLU, cu va­lori peste 110 mrad.

Ca o concluzie generala, se observa ca cerin­tele de rotire pentru cadrul compus sunt semnificativ mai mici decat in cazul cadrului metalic.

Concluzii ale analizelor numerice

Pe baza calibrarii efectuate pe componentele disipative se poate optimiza comportamentul elemen­telor de link scurt pentru cadrele de tip EBF si al zonelor plastice de grinda pentru cadrele de tip MRF, atat pentru varianta metalica cat si pentru cea compusa, care, apoi, pot fi utilizate in analize numerice para­metrizate.

Analizele incremental dinamice (IDA) au demonstrat faptul ca structurile in care a fost modelata interactiunea dintre otel si beton au un comportament diferit fata de configuratia metalica simpla.

Structurile in cadre metalice de inaltime mica (4 si 5 nivele), au prezentat valori ale deplasarilor relative de nivel si rotiri mai mari decat cadrele similare cu grinzi compuse. Pentru structurile inalte, cu perioade de vibratie mai mari, cresterea de rezistenta si rigi­ditate oferita de solutia compusa a condus, implicit, la rotiri mai mici in elementele disipative.

In cazul structurilor DUALE (MRF+EBF), rezultatele numerice indica cerinte de deformare plastica concentrate in principal in link (cu valori de aproximativ 100 mrad), cu aport din zonele disipative ale cadrelor MRF (zonele de sectiune redusa ale grinzilor cu valori de aprox. 20 mrad la SLU). Din acest punct de vedere, valoarea precizata in EC8-1, § 6.8.2. de 80 mrad, pentru elementele de link scurt din EBF, devine insuficienta in cazul configuratiei duale de cadru.

Ductilitatea globala a structurii a fost verificata prin calcularea factorului de comportare q, ca fiind raportul l_u/l_e, cu l_u – multiplicatorul accelerogramei care conduce la cedarea structurala (atingerea roti­rilor maxime sau a unei deformatii relative de nivel de 3%) si l_e – multiplicatorul accelerogramei care conduce la aparitia primei articulatii plastice. Valorile factorului de comportare q, obtinut din analizele pe structuri din otel, se apropie de valorile de proiectare (q = 6 pentru cadre duale), confirmand capacitatea buna de disipare a acestor sisteme. In schimb, pentru cadrele cu grinzi compuse au rezultat valori ale factorilor de comportare mai mici (valori intre 4 si 5). Aceste valori sunt explicabile prin obtinerea primei articulatii plastice la valori mai mici ale multiplicatorilor, in cazul elementelor din otel.

Analizele incremental dinamice au demonstrat, pentru structurile analizate, o rezerva de rezistenta de 20% pana la 40% in comparatie cu cerintele de proiectare.

Bibliografie

[1]  Simoes, R., da Silva, L. S. and Cruz, P. (2001), “Cyclic behaviour of end-plate beam-to-column composite joints”, Steel Compos. Struct., Int. J., 1(3), 355-376;

[2] Elghazouli, A. Y., Castro, J. M. and Izzuddin, B. A. (2008), “Seismic performance of composite moment-resisting frames”, Eng. Struct., 30(7), 1802-1819;

[3] EN 1998-1 EUROCODE 8 (2003), Design of structures for earthquake resistance, Part 1. General rules, seismic actions and rules for buildings, Brussels, CEN, European Committee for Standardisation;

[4] FEMA 356  (2000), Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C., November;

[5] P100-1-2006 (2006), P100-1 Cod de proiectare seismic – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri, indicativ P 100-1/2006, Romanian Institute of Standardization;

[6] Plumier, A. and Doneux, C. (2001a), “Seismic behaviour and design of composite steel concrete structures”, European Comission – Training and Mobility of Researchers – Programme Innovative Concepts in Seismic Design “ICONS” Project, May 2001;

[7] Ricles, J. M. and Popov, E. P. (1987), Experiments on Eccentrically Braced Frames with Composite Floors, Earthquake Engineering Research Centre, University of California, Berkeley, CA;

[8] Plumier, A. and Doneux, C. (2001b), “European developments of seismic design guidelines for composite steel concrete structures”, Proceedings of International Conference of Steel and Composite Structures ICSCS’Ol, Pusan, June;

[9] Plumier, A., Doneux, C. and Bouwkamp, J. G. (1998), “Slab design in connection zone of composite frames”, Proceedings of the 1998 Annual Technical Session & Meeting of the Structural Stability Research Council, 21-23, Atlanta, September;

[10] Danku, G. (2011), “Study of the development of plastic hinges in composite steel-concrete structural members subjected to shear and/or bending”, Ph. D. Thesis, Politehnica University of Timisoara;

[11] CiutinA, A., DubinA, D., Danku, G., (2013), “Influence of steel-concrete interaction in dissipative zones of frames: I – Experimental study”, Steel and Composite Structures, Vol. 15, No. 3 (2103), 299-322;

[12] Danku, G., Dubina, D., CiutinA, A., (2013), “Influence of steel-concrete interaction in dissipative zones of frames: II – Numerical study”, Steel and Composite Structures, Vol. 15, No. 3 (2103), 323-342.

*** Lucrare inclusa in vol. „Tendinte actuale in ingineria structurilor metalice. Lucrarile celei de-a XIII-a Confe­rinte Nationale de Constructii Metalice, Bucuresti, 21 – 22 noiembrie, 2013“.

Autori:
conf. dr. ing. Adrian CIUTINA – Universitatea Politehnica Timisoara, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor
s. l. dr. ing. GELU DANKU – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Centrul Universitar Nord Baia Mare
prof. dr. ing. DAN DUBINA – Universitatea  Politehnica  Timisoara, Departamentul  de Constructii  Metalice si  Mecanica  Constructiilor 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 106 – august 2014, pag. 58