Performantele seismice ale structurilor mixte otel-beton

Lucrarea de fata isi propune studierea performantelor seismice ale structurilor compuse in cadre, cu stalpi cu profil metalic complet inglobat in beton si grinzi metalice. Solutia de stalp compus complet inglobat in beton este una competitiva datorita multiplelor avantaje, precum capacitate portanta sporita, ducti­litate, capacitate de disipare a energiei si nu in ultimul rand, protectie la foc. Astfel, pe baza unui model numeric validat prin intermediul mai multor programe experimentale preluate din literatura de specialitate, a fost efectuat un studiu de caz pe structuri compuse otel-beton in cadre.

Modelarea numerica a stalpilor compusi otel-beton

Modelul numeric a fost dezvoltat in programul de element finit FineLg [1], program dezvoltat in cadrul departamentului ArGenCo al Universitatii din Liège. Modelul a fost calibrat si validat prin intermediul mai multor programe experimentale preluate din literatura. Studiul de caz pe structuri in cadre implica sectiuni mari de stalpi. Pentru validarea mo­delului numeric a fost ales studiul experimental realizat pe stalpi cu sectiune patrata de 600 mm (fig. 1).

Incercarile experimentale reali­zate de catre Weng ChengChiang, Yin YenLiang, Wang JuiChen si Liang ChingYu [2] au fost efecutate in laboratorul departamentului de Inginerie Civila al Universitatii Chiao Tung din China. Stalpii micsti incercati de catre acestia au avut aceeasi sectiune transversala, si anume 600 mm x 600 mm, cu lungimea de 3.250 mm. Stalpii au avut inglobat in beton un profil cruce 2H 350 x 175 x 6 x 9 (fig. 1). Armatura longitudinala a fost reali­zata din 16 bare f25 mm dispuse cate patru la fiecare colt si 4 bare suplimentare f13 mm dispuse dia­metral. Spiralele perimetrale au avut diametrul de f13 mm, iar cele de colt de f10 mm. Spiralele au fost pozi­tionate in zona formarii articulatiei plastice, la o distanta cuprinsa intre 95 – 115 mm, pe o lungime de 1.00 m, iar, in rest, la 150 mm.

Limita de curgere a otelului structural si al armaturii longitudinale si transversale, obti­nuta experimental, a fost de 435,3 MPa si respectiv 437 MPa. Rezistenta la compresiune a betonului a fost de 37,3 MPa. Modelul numeric propus utilizeaza elemente de tip multi-fibra, cu legi neliniare pentru beton, otelul structural si otelul din armatura longitudinala. Validarea modelului nume­­ric este prezentata in figura 2, prin comparatia curbelor forta-deplasare pentru doua tipuri de stalpi testati experimental.

 Studiu de caz

Utilizand caracteristicile reale ale elementelor, putem obtine informatii utile si apropiate de realitate asupra raspunsului structural, prin verifica­rea parametrilor globali de disipare a energiei seismice, urmarindu-se, astfel, controlul comportamentului structural. Pe baza modelului elaborat si prezentat anterior, pentru mo­delarea numerica a stalpilor cu sectiune mixta, s-a efectuat un studiu de caz pe structuri in cadre, realizate cu stalpi cu sectiune mixta otel-beton si grinzi metalice. Structurile analizate au inaltimea de 2 etaje, 6 etaje si respectiv, 10 etaje (fig. 3).

Modelarea a fost realizata tot in programul de element finit FineLg. Planul de nivel curent este identic pentru toate structurile ana­lizate si anume: 5 deschideri de 6,00 m si 5 travei de 6,00 m. Inaltimea nive­lului este aceeasi pentru toate etajele, respectiv 3,40 m. Riglele sunt considerate incastrate in stalpi. Conformarea structurii a fost aleasa asfel incat articulatiile plastice sa se formeze in grinzi si la baza stalpilor.

Zona seismica considerata are va­loarea maxima a acceleratiei de referinta 0,32 g si o perioada de colt de 1,60 s. Incarcarile luate in calcul la  structurile analizate sunt aceleasi pentru toate nivelele, si anume: permanente, 6,50 kN/m2 si utile, 3,00 kN/m2.

Dupa analiza elastica pentru obtinerea eforturilor si a deplasarilor corespunzatoare s-a efectuat o predimensionare, rea­lizand sectiunile elementelor. Analiza elastica pentru predimensionare s-a facut tot cu programul FineLg. Pentru predimensionare stalpii au fost modelati ca stalpi metalici, utilizandu-se un coeficient de echivalenta egal cu 7.

Sectiunile stalpilor micsti si ale grinzilor metalice, rezultate in urma predimensionarii, sunt prezentate in tabelul 1.

Materialele alese au fost: beton clasa C40/50, armatura otel S500 si profil otel S355. Au fost utilizate valo­rile de calcul ale rezistentelor materialelor.

Un coeficient de comportare q = 4 [3, 4] a fost considerat in evaluarea fortelor seismice, care au avut o distributie triunghiulara. Clasa de ducti­litate aleasa a fost inalta.

Analiza structurilor in cadre

Pentru studiul performantelor seismice ale structurilor au fost efectuate urmatoarele analize: analiza de tip pushover, analiza ciclica prin deplasari impuse si ana­liza dinamica time-history.

Analiza pushover a fost facuta prin aplicarea unor forte seismice cu distri­butie liniar crescatoare cu inal­timea, aplicate in dreptul planseelor si multiplicarea lor cu acelasi factor. Analizele de tip pushover ofera o imagine globala asupra modului de comportare a unei structuri in regim plastic, prin rigiditatea initiala globala a structurii, prin nivelul fortei taie­toa­re si panta curbei forta – deplasare.

Parametrii de raspuns conside­rati in analize au fost: curba forta – de­­plasare si curba forta – ­deplasare relativa de nivel. Raspunsurile struc­turilor, in urma analize­lor pushover, sunt prezentate in figura 4, prin curba caracteristica forta taie­toare de baza – deplasare pentru ultimele nivele (figura 4a pentru cadrul cu 2 etaje, figura 4c pentru cadrul cu 6 etaje si figura 4e pentru cadrul cu 10 etaje) si prin curba forta taietoare de baza – deplasare relativa de nivel (figura 4b pentru cadrul cu 2 etaje, figura 4d pentru cadrul cu 6 etaje si figura 4f pentru cadrul cu 10 etaje).

Sunt prezentate prin puncte ingro­sate (la ultimul nivel):

• Nivelul cedarii betonului, atunci cand in fibra comprimata se atinge deformatia limita de 3,5 ‰;
• Nivelul opririi curbei, atunci cand profilul metalic inglobat atinge deformatia la rupere de 1,5%;
• Nivelul cand structura atinge deplasarea relativa de nivel maxima aleasa, si anume 0,008 h (h = inal­timea de nivel). Valoarea de 0,008 h corespunde valorii admisibile a deplasarii relative de nivel, atunci cand componentele nestructurale nu interactioneaza cu structura [3, 4].

Starea de limitare a degradarilor (SLS) este, in toate cazurile studiate, cea definitorie pentru dimensionarea cadrelor. Pe baza metodei N2 [3, 4] a fost evaluat factorul de comportament q, utilizat de structura in momentul cedarii betonului, moment corespunzator acceleratiei de proiec­tare de 0,32 g (aceasta corespunde verificarii la stari limita ultime).

Rezultatele obtinute se rega­sesc in tabelul 2, coloana 4. Se poate ob­serva ca, in momentul cedarii betonului, niciuna dintre structuri nu atinge un factor q = 4, valoare aleasa la inceput in predimensi­onare. Cel mai aproape de aceasta valoare este structura cu 6 nivele, cu o valoare de 3,1 a factorului de comportament. Pe baza aceleiasi meto­de a fost evaluat si factorul q la sfarsitul curbei, respectiv cand profilul inglobat atinge deformatia la rupere de 1,5%. Valorile obtinute sunt prezentate in tabelul 2, coloana 5.

Conform normativului de proiec­tare antiseismica SR EN 1998-1-1 [3], structurile din regiunile seismice trebuie proiectate astfel incat sa fie satisfacute cerinta de neprabusire si cerinta de limitare a degradarilor. Pentru indeplinirea cerintei de neprabusire, actiunea seismica de calcul are o probabilitate de depasire de referinta de 10% in 50 de ani, cu o perioada de revenire de 475 ani, iar pentru limitarea degradarilor o probabilitate de depasire de referinta de 10% in 10 de ani, cu o perioada de revenire de 95 ani.

In tabelul 3 sunt prezentate valorile fortelor de baza atinse de structuri, cu depla­sarile aferente, pentru inde­plinirea conditiei de limitare a degradarilor. Sunt prezentate, de asemenea, acceleratiile atinse de structuri la acest moment.

In figura 5 sunt prezentate rela­tiile forta – deplasare obtinute pe cele trei tipuri de structuri in urma ana­lizei ciclice. Figura 5a pre­zinta curba obtinuta pe cadrul de 2 etaje, figura 5b pe cadrul cu 6 etaje si respectiv, figura 5c pe cadrul cu 10 etaje.

Se poate observa, totodata, ca structurile analizate prezinta o capacitate mare de disipare a energiei, cu o comportare histeresis stabila, cu degradari de rigiditate si rezistenta relativ sca­zute. Pentru efectuarea analizei dinamice de tip time-history au fost luate in consi­derare trei accelerograme generate artificial, definite pentru zona impusa (a_g = 0,32 g si T_c = 1,60 s), conform normativ P100/1-2006 [4] (fig. 6, 7 si 8) si accelerograma Vrancea 1997 directia N-S (fig. 9).

Pe baza analizelor dinamice efectuate s-a evaluat factorul seismic de performanta al structurii h si factorul de comportament q [5 – 8]. Valoarea factorului de comportament a fost evaluata ca raport intre valoarea ultima a acceleratiei induse pentru criteriul de cedare considerat si acceleratia indusa corespunzatoare aparitiei primei articulatii plastice.

Factorul seismic de performanta reprezinta abilitatea unei structuri de a rezista unui anumit cutremur si a fost evaluat ca raport intre acce­leratia corespun­zatoare criteriului considerat si accele­ratia de referinta a terenului. Valorile obtinute sunt prezentate in figurile 10 – 15.

Concluzii

Stalpii cu sectiune mixta otel-beton reprezinta o solutie competitiva pentru realizarea structurilor actuale, in special pentru structurile inalte, la care este necesara, pe langa o mare capacitate de rezistenta, si obtinerea unor sectiuni acceptabile din punct de vedere arhitectural. Solutia de stalp cu profil metalic complet inglobat in beton devine si mai competitiva in raport cu celelalte tipuri de stalpi micsti, datorita bunelor performante seismice si nu in ultimul rand, pentru protectia imbunatatita la foc. In urma analizelor efectuate se poate obser­va o mare capacitate de absorbtie a energiei, cu degradari relativ reduse ale rezistentei si rigi­ditatii sub solici­tari de tip ciclic.

In ceea ce priveste proiectarea actuala bazata pe criterii de performanta, este necesara atribuirea unei valori a acceleratiei terenului cores­punzatoare starii de limitare a degra­darilor, mai mici decat valoa­rea de referinta de proiectare, datorita faptului ca forta seismica are, in aceasta situatie, o probabilitate de depasire de referinta de 10% in 10 de ani, cu o perioada de revenire de 95 ani. In cazul structurilor ana­lizate valoarea acceleratiei de refe­rinta pentru starea de limitare a degradarilor este de 0,18 g.

Bibliografie

[1]  FineLg User’s manual, V9.0 (2004), University of Liège (M&S) / Design office Greisch (BEG);

[2]  WENG ChengChiang, YIN YenLiang, WANG JuiChen, LIANG ChingYu, Seismic cyclic loading test of SRC columns confined with 5-spirals, Science in China Series E: Technological Sciences, Vol. 51, No. 5, pp. 529- 555, May 2008;

[3] ASRO. SR EN 1998-1, Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur; Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri, Mai, 2006, Bucuresti: Asociatia de Standardizare din Romania (in Romanian);

[4] P100-1/2006: Cod de pro­iectare  seismica.  Partea I – Prevederi de proiectare seismica pentru cladiri, Septembrie, 2006;

[5] Ciutina Adrian Liviu,   Assemblages et comportement sismique de portiques en acier et   mixtes acier-béton: expérimentation et simulation numérique, Teza de doctorat, 2003;

[6] Campian, Cristina, Contribution à l’étude du comportement et au calcul de poteaux mixtes acier-béton (sous des charges transversals de variation monotone ou cyclique alternée); Thése de doctorat – 2001, Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Rennes, Franta (in limba franceza);

[7] Dinu Florea, Metode de calcul neliniar al structurilor in cadre metalice solicitate la actiunea seismica, Ed. Orizonturi Universitare, Timisoara 2006, ISBN (10) 973-638-282-6; ISBN (13) 978-973-638-282-6;

[8] Dubina D., Lungu D., Aldea A., Arion C., Ciutina A., Cornea T., Dinu F., Fulop L., Grecea D., Stratan A., Vaca­reanu R., Constructii ampla­sate in zone cu miscari seismice puternice, Ed. Orizonturi Universitare, Timisoara 2003, ISBN 973-8391-90-3.

Autori:
drd. ing. Alina HAUPT-KARP,
prof. dr. ing. Cristina CAMPIAN,
asist. drd. ing. Gabriel URIAN,
prof. dr. ing. Nicolae CHIRA – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 114 – mai 2015, pag. 58