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 (ag = 0,32 g si Tc = 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
Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Lasă un răspuns