Conceptul de izolare a bazei structurii aplicat unui siloz cu structura metalica

Una dintre particularitatile de proiectare a structurilor pe teritoriul Romaniei este prezenta hazardului seismic. Actiunea seismica este, de cele mai multe ori, actiunea de baza care dimensioneaza elementele structurale ale constructiilor. Izolarea bazei reprezinta una dintre metodele moderne pentru redu­cerea efectelor actiunii seismice asupra constructiilor, prin introducerea, intre teren si structura, a unui sistem de izolare. Sistemul de izolare este format din izolatori seismici (au rigiditate mare pe verticala si sunt flexibili pe orizontala) si amortizori.

In metoda traditionala, energia generata de actiunea seismica este disipata prin degradari controlate in elementele suprastructurii. In metoda izolarii bazei, actiunea seismica este preluata la nivelul stratului de izolare, iar suprastructura va ramane in domeniul elastic de comportare.

Ideea metodei consta in faptul ca, pentru o constructie rigida, avand perioada proprie de vibratie cores­punzatoare zonei de amplificare maxima din spectrul de raspuns elastic, prin introducerea stratului de izolare, structura este flexibilizata, perioada proprie de vibratie creste semnificativ, iar efectele actiunii seismice sunt diminuate.

In proiectarea traditionala, in cazul producerii unui eveniment seismic important, se produc degra­dari atat ale elementelor structurale, cat si ale elementelor nestructurale. Acest fapt implica realizarea de lucrari de reparatie si consolidare post-cutremur.

Intervalul mediu de recurenta considerat pentru cutre­murul de cod (IMR = 100 de ani – conform P100-1/2006) raportat la durata de viata a unei constructii face ca proiectarea traditionala sa fie mai avantajoasa din punct de vedere al costului initial.

Metoda izolarii bazei structurilor presupune introdu­cerea intre teren si structura a unui strat care izoleaza miscarea suprastructurii de misca­rea terenului. In cazul producerii unui eveniment seismic important nu se mai produc degradari ale elementelor structurale si nestructurale, insa metoda implica un cost initial mult mai mare. Intre avantajele majore ale sistemului de izolare a bazei trebuie subliniate asigurarea func­tionarii continue a constructiei si li­mitarea lucrarilor de interventie numai la nivelul stratului de izolare.

Metoda izolarii bazei este eficienta pentru cladiri / constructii cu regim mic de inaltime si la care deplasarile laterale nu sunt impiedicate (sistemul lucreaza cu deplasari laterale mari). Ideea metodei consta in faptul ca, pentru o constructie rigida, avand perioada proprie de vibratie corespunzatoare zonei de amplificare maxi­ma din spectrul de raspuns elastic, prin introducerea stratului de izolare, structura este flexibilizata, perioada proprie de vibratie creste semnificativ, iar efec­tele actiunii seismice sunt diminuate. Pentru ca sistemul de izolare sa fie eficient trebuie ca raportul intre perioada structurii izolate si cea neizolata sa fie mai mare ca 3.

Componentele sistemului de izolare

Stratul de izolare este format din izolatori seismici si, in mod obligatoriu, amortizori. Izolatorii au o rigiditate verticala mare, pentru a asigura transmiterea in siguranta a incarcarilor gravitationale si o rigiditate laterala redusa pentru a putea rea­liza izolarea miscarii seismice.

Raportul dintre cele doua rigidi­tati este cuprins intre 2.500 si 3.000. Principalele tipuri de izolatori sunt urmatoarele:

• izolatori din cauciuc natural (NRB);
• izolatori din cauciuc natural cu miez de plumb (LRB);
• izolatori din cauciuc sintetic cu proprietati de amortizare (HDBR);
• dispozitive care permit luneca­rea (SB).

Izolatorul de tip HDBR (fig. 1) este format din mai multe straturi de cauciuc sintetic cu proprietati de amortizare, cu grosimea de 3 mm – 10 mm, intre care sunt intercalate placi din otel de 2,5 mm – 4 mm. Acesti izolatori se fabrica cu diametre cuprinse intre 500 mm – 1.500 mm, insa in mod uzual se folosesc diametrele de 600 mm – 1.200 mm.

Principalii parametri ai izolatorului sunt factorii de forma S₁, res­pectiv S₂. Factorul de forma S₁ reprezinta o marime adimesionala a raportului de forma pentru un singur strat de cauciuc; in cazul unui izolator circular cu diametrul D si grosimea stratului de cauciuc t_R, acest raport este:

Valoarea acestui raport este cuprinsa intre 35 si 40. Factorul de forma S₂ reprezinta raportul intre diametrul izolatorului D si grosimea totala a stratului de cauciuc, T_q. Valoa­rea acestui raport este aproximativ 5. Efortul unitar de compresiune de lunga durata este de 10 – 15 N/mm2, iar efortul unitar de compresiune de scurta durata este 15 – 20 N/mm2. Deformatiile de pro­iec­tare ale acestor izolatori sunt de 250 – 300%, iar deformatia ultima de 400%. Din cauza curgerii lente, a fenomenului de imbatranire, a efec­telor temperaturii, a istoriei incarca­rilor, a frecventei ciclurilor de incarcare-descarcare etc. se produce o reducere de 20% a parametrilor izolatorului. Pentru o depla­sare la­te­rala de 300%, se obtine o amortizare vascoasa echivalenta de aproxi­mativ 20%.

Amortizorii se dispun pentru a reduce deplasarile relative de la nivelul stratului de izolare, precum si pentru a opri miscarea. Principalele tipuri de amortizori sunt: amortizori hidraulici (amortizare de tip vascos), amortizori din plumb si amortizori din otel (amortizare de tip histeretic).

Descrierea structurii analizate

Structura analizata in acest articol este un siloz cu structura meta­lica, folosit la stocarea prafului de calcar si care va fi amplasat in incinta Complexului Energetic Oltenia, Sucursala Craiova, din judetul Dolj. Silozul este alcatuit dintr-o celula de depozitare cu un volum de 3.800 m3 si o capacitate totala de 4.940 de tone si o structura metalica suport, contravantuita centric, cu diagonale dispuse atat in „X“ cat si in „V“ inversat. Alcatuirea de principiu a structurii este indicata in figura 2.

Celula de depozitare este alcatuita dintr-o parte cilindrica, avand diametrul D = 15,30 m si o inaltime H = 15,80 m si o palnie de descarcare prevazuta la partea inferioara. Palnia este dispusa la un unghi de 60° si are o inaltime h = 12,25 m. Rezemarea celulei de depozitare pe structura suport se face in 8 puncte.

Structura suport are 8 stalpi, reali­zati din doua profile HEA 500 cu sectiunea in „cruce de malta“ si care sunt dispusi radial la un unghi de 45°. Contravantuirile sunt din teava rectangulara, iar grinzile intermediare din profile HEA 300 si HEA 450, in functie de nivelul de soli­citare. Grinzile de la partea superioara a suportului, pe care reazema celula de depozitare, sunt confectionate din table sudate cu inaltimea sectiunii de 700 mm.

Analiza structurala si modelul de calcul

Evaluarea incarcarilor

Evaluarea actiunii seismice pe structura analizata s-a calculat in conformitate cu prevederile normativului: P100-1/2006 – „Cod de pro­iectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri“.

Amplasamentul constructiei se caracterizeaza printr-o valoare de varf a acceleratiei terenului pentru proiectare a_g = 0,16 g (IMR = 100 de ani) si o perioada de control a spectrului de raspuns (de colt) T_C = 1,0 s.

Actiunea dinamica a vantului s-a calculat in confor­mitate cu prevede­rile normativului CR 1-1-4: 2012 – Cod de proiectare. Evaluarea actiunii vantului asupra constructiilor.

Modelul de calcul structural a fost elaborat in programul SAP2000, un program de calcul ce are la baza metoda elementului finit. Pentru modelarea barelor care intra in alcatuirea suportului s-au folosit elemente finite liniare, iar pentru placile circulare ce alcatuiesc mantaua, elemente de suprafata de tip shell.

Modelul de calcul in proiectarea traditionala

Asa cum am precizat anterior, in proiec­tarea traditionala, pentru dimen­sionarea supra­structurii se va consi­dera numai o fractiune din actiunea seismica, urmand ca restul sa fie disipata prin incursiuni in domeniul postelastic ale anumitor elemente structurale. In cazul structurii analizate se poate disipa energie numai in structura suport. Mantaua celulei de depozitare este formata din placi curbe circulare, cu grosimi cuprinse intre 8 mm si 20 mm, cu capacitate de disipare foarte redusa.

Factorul de comportare ales pentru structura a fost q = 2, clasa de ductilitate medie, deoarece structura este de tip pendul inversat, desi sistemul de contravantuiri folosit este centric. Dupa efectuarea analizei modale s-a observat ca primele doua moduri proprii de vibratie sunt moduri de translatie (directia 0x respectiv 0y), iar urmatorul modul propriu este de torsiune. S-a observat, de asemenea, ca primele doua moduri proprii de vibratie sunt moduri corelate, avand perioada proprie fundamentala de vibratie T₁ = 0,8089 s, respectiv T₂ = 0,8087 s. Astfel, pentru determinarea eforturilor in elementele structurale, din calculul modal cu spectru de ras­puns s-a ales metoda de compunere CQC (complete quadratic combination).

Din analiza graficelor spectrului de raspuns elastic, respectiv a spectrului de proiectare, se poate observa ca silozul de calcar se situeaza in zona de amplificare maxima. Deplasarea laterala maxima obtinuta la varful structurii are, sub actiunea seismica, valoarea d = 6,03 cm. Forta taietoare de baza rezultata din actiunea seismica este F_b = 8.380 kN, iar actiunea dinamica a vantului genereaza o forta laterala totala F_v  = 1.120 kN. Pentru greutatea totala a structurii metalice, in ipoteza adoptarii metodei traditionale de pro­iectare, se obtine valoarea G_S ~ 250 tone.

Modelul de calcul in metoda izolarii bazei (masei)

In marea majoritate a cazurilor in care se adopta aceasta metoda, stratul de izolare se amplaseaza la baza structurii – cazul constructiilor civile. Exista, insa, anumite situatii in care este mai convenabil sa izolam numai o anumita parte din masa (in cazul unor structuri industriale, cu masa grupata).

Pentru structura analizata s-a optat pentru dispu­nerea sistemului de izolare la partea superioara a suportului, imediat sub celula de depozitare.

Sistemul de izolare adoptat este format din izolatori de tip HDBR cu diametrul D = 850 mm. Izolatorul este format din placi din cauciuc sintetic cu proprietati de amortizare, cu grosimea t_R = 8 mm, intre care sunt intercalate placi din otel cu grosimea t_S = 3 mm. Amortizarea vascoasa echivalenta a acestora este b_eff = 10%.

Pentru aceasta structura s-a luat in calcul posibilitatea izolarii seismice, deoarece aceasta face parte dintr-un complex energetic (clasa I de importanta – conform P100-1/2006) si pentru care trebuie asigurata o functionare continua. Silozul supus analizei este o structura de tip pendul inversat, avand masa suspendata la o anumita inaltime. In cazul actiunii seismice, un aport major pentru valorile fortelor axiale din stalpii suportului metalic il are efectul indirect. Acest efect indirect face ca anumiti stalpi sa fie intinsi, iar altii sa fie puternic comprimati. In aceste conditii, proiectarea sistemului de izolare este dificila, avand in vedere ca izolatorii au o capacitate redusa la intindere, iar cedarea este de tip fragil. Pe de alta parte, pentru o comportare stabila a sistemului trebuie ca efortul unitar de compresiune sa nu depa­seasca 20 N/mm2.

Solutia aleasa a fost cea de amplasare a sistemului de izolare intre celula de depo­zitare si suportul me­talic, avand in vedere ca ~ 90% din masa structurii este situata deasupra acestui suport.

Modelarea izolatorilor in programul de calcul s-a realizat cu elemente de tip link cu o comportare liniara. Comportarea liniara a izolatorului, precum si valoarea rigiditatii efective K_eff, au fost garantate de producator. Pentru fiecare directie de translatie, valoarea rigiditatii efective este K_eff = 1,09 kN/mm.

In modelul de calcul structural, in fiecare punct de rezemare a celulei de depozitare pe structura suport, s-a introdus un element de tip link, considerat foarte rigid pe directie verticala, iar pe directiile orizontale de translatie acesta are rigiditatea K_eff.

Dupa efectuarea analizei modale a rezultat ca primele doua moduri proprii de vibratie sunt moduri de translatie, iar urmatorul modul propriu este de torsiune.

Un aspect foarte important, in cazul metodei de izolare seismica, este amplasarea corecta a izolatorilor si amortizorilor. Acestia se vor amplasa intodeauna astfel incat sa nu existe torsiune. La fel ca in cazul metodei traditionale, s-a obtinut ca primele doua moduri proprii de vibratie sunt moduri corelate, avand perioada proprie fundamentala de vibratie T = 3,7815 s.

Pentru ca metoda izolarii seismice sa fie eficienta trebuie ca raportul intre perioada structurii neizolate si cea izolata sa fie mai mare decat 3.

Din analiza spectrului normalizat de raspuns elastic b(T) (fig. 8), se poate observa ca factorul de amplificare dinamica a scazut de la va­loarea maxima de 2,75 la valoarea 0,577. Prin reducerea factorului de amplificare dinamica se reduc si efectele actiunii seismice asupra constructiei. Aceasta reducere repre­­zinta ideea metodei izolarii seismice. In literatura de specialitate, pentru structuri meta­lice imbinate cu suruburi, se recomanda adoptarea unei fractiuni din amortizarea critica z = 0,05.

Prin introducerea sistemului de izolare se obtine suplimentar si amortizare, pentru care producatorul izolatorilor HDBR a garantat o fractiune din amortizarea critica z = 0,10. Nivelul acce­leratiilor structurii scade de la valoarea de 2,16 m/s2 din metoda traditionala, la va­loare de 0,74 m/s in metoda izolarii seismice.

Deplasarea maxima la varful structurii, sub actiunea seismica, are valoarea d = 47,50 cm. Forta taie­toare de baza rezultata din actiunea seismica este F_b = 3.470 kN. Suplimentar, langa fiecare izolator, au fost introduse dispozitive speciale, care sa aiba suficienta rigiditate pentru a prelua fortele laterale maxime produse de actiunea dinamica a vantului (fig. 6).

In cazul producerii unui eveniment seismic important, fortele capabile ale dispozitivelor pentru preluarea fortelor din actiunea dinamica a vantului vor fi depasite si astfel se va activa sistemul de izolare. Datorita efectului indirect (momentului de rasturnare al celulei de depo­zitare, pe durata actiunii seismice) se dezvolta in izolator o forta de intindere cu valoarea maxima F_int = 448,8 kN. Aceasta forta de intindere este anulata de greutatea proprie a mantalei si a materialului depozitat, precum si de incarcarile de pe acoperisul silozului. Astfel, prin dispunerea izolatorilor imediat sub celula de depozitare, nu se dezvolta forte de intindere, ce pot provoca cedari de tip fragil.

Forta de compresiune maxima din izolator are valoarea F_{c, max} = 3.705 kN.

Greutatea totala a structurii metalice suport, in ipoteza adoptarii metodei de izolare a masei structurii, este de G_S ~140 tone.

Caracteristicile izolatorului folosit

Asa cum am precizat anterior, izolatorul folosit este de tip HDBR cu diametrul D = 850 mm. Diametrul placilor din cauciuc de la interiorul acestuia este D’ = D-10 mm = 840 mm. Acest izolator este alcatuit din 26 de straturi de cauciuc cu grosimea t_R = 8 mm, intre care se afla intercalate placi din otel cu grosimea t_s = 3 mm. Astfel, grosimea totala a cauciucului este T_q = 208 mm, iar inaltimea totala a izolatorului T_b = 393 mm. Modulul de elasticitate transversal este G = 0,4 N/mm2, iar aria in plan a stratului de cauciuc este A = 554.177 mm2.

S-a obtinut o rigiditate pe directie orizontala a izolatorului cu urmatoarea valoare:

Factorul de forma S₁ = 26,25, iar factorul de forma S₂ = 4,03. Modulul de elasticitate la compresiune E_c’ are urmatoarea valoare:

Analiza comparativa

Prin introducerea sistemului de izolare sub celula de depozitare, structura este flexibilizata, perioada proprie de vibratie creste de 4,67 ori, iar nivelul acceleratiilor scade cu 65% (fig. 9).

Datorita scaderii nivelului acce­leratiilor pe care structura le resimte, scad si solicitarile din elementele structurale. Asadar, prin izolarea seismica a masei celulei de depozi­tare se realizeaza o reducere a canti­tatii necesare de otel cu 44% (fig. 10).

Pentru structura neizolata, factorul  de comportare considerat a fost q = 2, iar pentru structura izolata s-a adoptat q = 1. Datorita flexibilizarii structurii, desi pentru structura izolata seismic valoarea factorului de comportare este mai mare, va­loarea fortei taietoare de baza scade cu 59 % (fig. 11).

Principalul dezavantaj al metodei de izolare seismica a masei il reprezinta valorile mari ale depla­sarilor la­terale. Prin izolarea seismica se obtine o crestere a depla­sarii laterale, la varful structurii, de aproximativ 7,8 de ori (fig. 12).

Concluzii

Izolarea seimica a masei repre­zinta o metoda moderna de reducere a raspunsului structurii la actiunea seismica. In cazul acestei metode sistemul de izolare poate fi amplasat atat la baza structurii, in marea majoritate a cazurilor, cat si pentru a izola doar o anumita parte din masa totala, in anumite cazuri particulare.

Prin metoda izolarii seismice, datorita flexibilizarii structurii, care conduce la reducerea semnificativa a nivelului acceleratiilor structurii, se reduc efectele actiunii seismice si implicit, cantitatea de materiale folosita.

Un dezavantaj major al acestei metode, care limi­teaza utilizarea ei, este faptul ca lucreaza cu deplasari laterale foarte mari. Pe intreaga durata a actiunii seismice trebuie asigurata deformarea libera a sistemului de izolare. O atentie deosebita trebuie acordata amplasarii sistemului de izolare, astfel incat sa nu existe torsiune.

Metoda izolarii seismice implica un cost initial mai mare fata de metoda traditionala, insa interventia post-cutremur este mult mai simpla, rapida si se limiteaza numai la nivelul sistemului de izolare, permi­tand, astfel, utilizarea continua a structurii.

Bibliografie

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

[2] V. V. OpriSoreanu, Contributii la aplicarea izolarii bazei in proiectarea seismica si in Romania, teza de doctorat, UTCB 2012;

[3] D. Zamfirescu, V. V. OpriSoreanu, Evaluarea si consolidarea unei structuri cu pereti din beton armat amplasata in Bucuresti, Conferinta Natio­nala „Ingineria Cladirilor“ – 29 – 30 septembrie 2011, Bucuresti;

[4] CR 1-1-4:2012 – Cod de proiectare: Evaluarea actiunii vantului asupra constructiilor;

[5] SR EN 1993-1-1 – Eurocod 3: Proiectarea structurilor din otel – Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri, CEN;

[6] www.alga.it/

[7] www.csiamerica.com/sap2000.

Autori:
s. l. dr. ing. Daniel BITCA,
drd. ing. Emilian URSU,
conf. dr. ing. Paul IOAN – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Constructii Civile, Industriale si Agricole 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 118 – septembrie 2015, pag. 28