Eficienta economica a solutiei de izolare a bazei cu penduli cu frecare, la o cladire P+9 situata intr-o zona seismica

Articolul prezinta o comparatie intre costul proiectarii structurii de rezistenta a unui imobil rezidential inalt (P+9, clasa de importanta-expunere II) situat in zona seismica Bucuresti, folosind izolatori seismici de tip pendul cu frecare (FPS – Friction Pendulum System) si costul unei proiectari traditionale. In articol nu se va pune, deci, un accent deosebit pe aspectele legate de alegerea sistemului de izolare si calitatile acestuia, ci pe diferenta de cost intre cele doua solutii constructive, bazata pe masuratorile efectuate.

Cladirea izolata are o structura rigida, cu forma regulata atat in plan cat si in elevatie. Sistemul de izolare aplicat este format din 16 FPS, cu urmatoarele caracteristici: raza = 5,04 m, coeficient de frecare 4%, deplasari maxime capabile ±570 mm.

Solutia de proiectare seismica ce presupune izolarea bazei are ca principiu un concept simplu: daca terenul de sub structura se poate misca fara sa antreneze si cladirea, atunci cladirea nu va fi afectata de cutremur. In practica, este imposibila decuplarea integrala a structurii de fundatie, insa efectele seismice asupra cladirii se pot diminua drastic.

Abordarea proiectarii traditionale presupune disiparea energiei seismice prin concentrarea eforturilor si deformatiilor structurii in zone special alese si detaliate, precum si ierarhizarea capacitatii elementelor din jurul lor. In cazul unui seism puternic, aceste zone critice se vor degrada local, pentru a permite disiparea energiei seismice.

Proiectarea bazata pe izolarea bazei presupune decuplarea fundatiei de suprastructura prin intermediul unor elemente de legatura – izolatorii seismici – care permit transmiterea eforturilor verticale ale cladirii si in acelasi timp, permit o decuplare relativa a miscarii terenului de miscarea cladirii.

Echipa noastra de proiectare, in colaborare cu Vlad Simionescu si Asociatii Arhitecti, a implementat  in 2013 o solutie de izolare la baza a unei cladiri rezidentiale in Corbeanca, Ilfov, aceasta fiind prima cladire rezidentiala izolata la baza din Romania. Izolarea la baza a fost executata cu izolatori de tip pendul cu frecare produsi de ALGA (Italia).

Tema de arhitectura

Ipoteze generale

Conform temei de arhitectura, blocul cu functiune de locuinte, situat in Bucuresti, are 10 etaje (P+9) cu inaltimea nivelului de 3 m (finit – finit). Inaltimea totala a cladirii este de 31,50 m. Din ratiuni economice clientul nu doreste subsol (nici tehnic).

Suprafata desfasurata a cladirii este de circa 4.800 mp (fig. 1).

Cota terenului amenajat este -0,40 m fata de cota finita a pardoselii.

Studiul geotehnic recomanda o adancime minima de fundare de 1,20 m fata de cota terenului amenajat.

Actiunea seismica, P100-1/2013

Zonarea seismica

Valoarea de varf a acceleratiei de proiectare a_g = 0,30 g (IMR 225 de ani) pentru Bucuresti.

Perioada de control (colt) considerata este T_c = 1,60 sec, pentru acelasi amplasament.

Spectrul de raspuns elastic al componentelor orizontale, pentru IMR = 225 de ani, este reprezentat astfel:

Pentru structura cu baza fixa, spectrul de proiectare este prezentat in cele ce urmeaza.

Clasa de importanta – expunere

(Nivelul de asigurare al constructiilor diferentiat in functie de consecintele asupra sigurantei publice)

Astfel, pentru constructia studiata, cu inaltimea de 31,50 m, clasa de importanta-expunere este II, avand factorul de amplificare al efectelor seismice g_i,e = 1,20.

Avantajele celor doua sisteme structurale

Solutia clasica, avand structura legata rigid de fundatie, prezinta urmatoarele avantaje:

• fiind o solutie traditionala, viteza de executie este dictata strict de priceperea echipelor de constructie;
• structura, ca investitie initiala, este mai ieftina;
• toate elementele/componentele structurii pot fi produse pe plan local si aprovizionate intr-o perioada de timp relativ scurta.

Solutia izolata la baza prezinta urmatoarele avantaje:

• poate fi un argument de marketing, cladirea ”pe bile” fiind o sintagma urbana sinonima in Bucuresti cu siguranta seismica. Acest aspect a fost testat la nivelul unei retele de socializare sub forma unui chestionar efectuat de echipa DI&A (fig. 2);
• izolatorii ofera un grad de siguranta mai bun, pe baza faptului ca sunt executati in mediu controlat;
• finisajele, instalatiile, echipamentele, precum si utilizatorii (locatarii) cladirii, resimt efectele seismice diminuate;
• detalierea elementelor din beton armat este mai simpla, detaliile complicate pentru elementele cu rol antiseismic fiind mult simplificate – aceasta abordare poate spori semnificativ viteza de executie;
• peretii de inchidere pot fi executati integral din beton armat, micsorand manopera cu alte materiale (zidarie);
• reparatiile datorate efectelor seismice sunt mult mai scazute; aici se pot include reparatiile aparaturii / dotarilor / mobilierului, elemente care la un seism puternic pot suferi daune prin ciocnire, cadere etc, intr-o structura proiectata clasic cu baza fixata rigid la teren.

Dezavantajele celor doua sisteme structurale

Solutia clasica, avand structura legata rigid de fundatii, prezinta urmatoarele inconveniente la evenimente seismice:

• finisajele pot suferi degradari chiar si in cazul seismelor din intervalul de serviciu;
• caderea obiectelor neancorate de pereti (mobila sau echipamente) poate aduce fie raniri minore, fie pagube materiale importante (in functie de valoarea acestora);
• acceleratiile resimtite de oameni in timpul seismului pot fi ridicate, inducand teama si un sentiment de nesiguranta. Acceleratia maxima inregistrata de modelul de calcul din spectrul de proiectare este de 3,195 m/s2, fata de 1,510 m/s2 in modelul izolat la baza;
• dupa un eveniment seismic major structura poate prezenta deformatii remanente;
• rezistenta sistemului structural depinde, in mai mare masura, de efectele erorilor de executie, cunoscute fiind greutatile intampinate in asigurarea calitatii in santier;
• detalierea elementelor din beton armat cu rol activ in disiparea energiei seismice (articulatii plastice) este complexa, fiind posibile dificultati de punere in opera din cauza aglomerarilor de bare si distantelor mici intre acestea.

Solutia izolata la baza prezinta urmatoarele inconveniente:

• costul initial pentru structura este mai ridicat (costul izolatorilor si realizarea unui alt nivel de fundatie);
• interfata izolata trebuie sa acomodeze deplasari mari in timpul cutremurului si acestea trebuie acomodate la randul lor, atat de instalatii cat si de elementele ce traverseaza interfata;
• daca nu se contracteaza in timp util producerea si livrarea izolatorilor, perioada pana la receptionarea cladirii poate fi prelungita, din cauza necesitatii de a avea la baza documentelor de receptie si rezultatele incercarii izolatorilor. Principalul motiv consta in numarul limitat al centrelor de testare din lume si implicit, durata ridicata de asteptare. Cu o organizare judicioasa a executiei acest inconvenient poate fi depasit;
• se impun masuri de prevenire a accidentarii persoanelor aflate in raza de miscare a cladirii;
• dupa un eveniment seismic, cladirea poate avea o deplasare remanenta (care poate fi remediata insa);
• solutia de izolare a bazei presupune, ca orice alt echipament industrializat, o intretinere, respectiv vizite de verificare o data la 10 ani si dupa fiecare eveniment major.

Solutii suprastructura si infrastructura, Planuri de cofraj si sectiuni caracteristice

Cofraj de nivel curent 

Structura cu baza fixa

Structura gandita este prevazuta cu pereti din beton armat ca panouri de forfecare, decuplati prin distantarea lor suficienta. S-au ales forme simple de pereti (lame, cu exceptia putului de lift) de dimensiuni generoase, pentru indeplinirea cerintelor de deplasare laterala (0,5% pentru SLS).

Structura cu baza izolata

Structura gandita are toate inchiderile realizate din beton armat, profitand de comportarea in stadiul cvasi-elastic a acesteia. Pentru eficientizarea solutiei s-a ales subtierea peretilor de pe contur la 150 mm (cu exceptia peretilor transversali).

Gabaritul interior al incaperilor a fost pastrat, pentru a compara aceleasi suprafete utile rezultate.

Placa a fost pastrata de aceeasi grosime, fiind dimensionata la incarcari gravitationale.

Sectiune caracteristica la nivelul fundatiei 

Structura cu baza fixa

Grosimea radierului a fost dictata de ratiuni economice, fiind studiate 3 variante diferite de executie a cotei ±0.00, tinand cont de necesitatea unei placi suport pentru cota -0.15 si de adancimea minima de fundare de 1.20 m, astfel:

1. radier de 900 mm grosime, placa de pardoseala pentru cota ±0,00, umplutura compactata de 450 mm intre cele doua placi din beton, egalizare de 50 mm sub radier.
2. radier de 1.450 mm grosime cu rol si de placa de pardoseala pentru cota ±0,00, egalizare de 100 mm sub radier.
3. radier de 1.200 mm grosime cu rol si de placa de pardoseala pentru cota ±0,00, egalizare de 250 mm sub radier.

Cum a treia solutie s-a dovedit cea mai eficienta din punct de vedere al costurilor, s-a ales aceasta varianta.

Structura cu baza izolata

Infrastructura cladirii izolate la baza necesita inaltarea structurii fata de cota terenului amenajat. Aceasta inaltime a rezultat din ratiuni tehnologice, pentru pozitionarea izolatorilor deasupra terenului.

Pozitionarea izolatorilor sub nivelul terenului ar fi necesitat, in primul rand, construirea unei incinte inchise, adaugand costuri suplimentare lucrarii. Pentru a acoperi suprafata izolatorilor in timpul miscarilor seismice se propune un trotuar subtire ancorat de elementul de tip stalp.

Planseul parterului este dimensionat precum o placa de nivel curent iar sub nivelul sau este construita o retea de grinzi pentru transmiterea eforturilor de la suprastructura catre izolatori. In dreptul izolatorilor sunt proiectate elemente de tip stalp.

Pentru executia fundatiei propriu-zise a fost propus un radier cu grosime redusa (750 mm) prevazut cu ingrosari locale in dreptul izolatorilor seismici.

Cei 16 izolatori propusi pentru realizarea sistemului de fundare sunt dispusi conform figurii 7.

Consumuri de materiale

Pentru a face o comparatie elocventa, cele doua structuri studiate au fost modelate in programe, atat de calcul, cat si de desen, si studiate la nivel de gabarite de cofraje, armarea lor fiind aproximata pe baza de indici (Tabelele 1 si 2).

Comparatie in termeni de cantitati si costuri

Pentru a face o comparatie elocventa, cele doua structuri studiate au fost modelate si studiate la nivel de gabarite de cofraje, armarea acestora fiind aproximata pe baza de indici.

Preturile au fost estimate pe baza experientei si informatiilor primite de la contractori, fiind preturi reale din piata constructiilor.

Preturile considerate pentru izolatorii seismici au fost evaluate  pe baza proiectului anterior executat cu astfel de izolatori.

Anumite elemente nestructurale (parapeti, scari, trotuarul de acces si scarile de la intrare) nu au fost considerate in comparatie, intrucat nu prezinta diferente intre cele doua modele de rezolvare a structurii principale.

De asemenea, in comparatia economica nu au fost incluse instalatiile si elementele de arhitectura ce pot adauga costuri pentru varianta izolata, insa din experienta proiectului anterior (Corbeanca, 2012) aceste costuri suplimentare sunt neglijabile.

Concluzii

Pentru o structura cu regimul de inaltime P+9, amplasata in zona seismica Bucuresti, solutia structurala de izolare a bazei aduce un spor modest de consum in termeni de resurse (pret) pentru structura.

Daca se priveste investitia in ansamblul ei (elemente de arhitectura, instalatii, echipamente, bunuri) sporul de cost devine de circa 3,3%.

Costurile suplimentare generate de izolarea bazei pot fi, insa, compensate de avantajele oferite de sistemul anti-seismic net superior solutiilor structurale traditionale, sistem care constituie o treapta superioara in ceea ce priveste siguranta structurala a cladirii.

Echipa noastra a realizat un mic sondaj-chestionar pe o retea de socializare pentru a afla daca publicul ar fi interesat de un astfel de sistem de siguranta, inclusiv daca un cost suplimentar ar fi suportabil.

Desi, din fericire, cutremurele mari de pamant din Romania nu au o frecventa ridicata, solutia de izolare a bazei se poate dovedi eficienta pe termen lung datorita costurilor reduse legate de reparatiile post-seism si prin faptul ca ofera o protectie suplimentara bunurilor gazduite in locuinte in timpul unui cutremur. Totodata, datorita reducerii necesarului de reparatii si deci a resurselor implicate in acest proces, procedeul de izolare a bazei poate constitui un pas important in reducerea gazelor de sera.

Daca pentru o cladire de locuit costurile suplimentare legate de introducerea izolarii bazei, desi procentual modeste, pot constitui un impediment in abordarea unei asemenea solutii, pentru cladirile importante (scoli, gradinite, spitale, centre de comanda etc., practic toate cladirile listate in clasele de importanta si de expunere I si II conform definitiei din P100/1-2013) efortul financiar suplimentar este pe deplin justificat.

Bibliografie

• P100-1/2013 – Cod de proiectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri;
• SREN 1998-1-2004 – Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur – Partea I. Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri;
• Principles of Passive Supplemental Damping and Seismic Isolation – C. Christopoulos, A. Filiatrault – IUSS PRESS;
• Design of Seismic Isolated Structures – From Theory to Practice – F. Naeim, J.M. Kelly – JOHN WILEY & SONS, INC.;
• Seismic Isolation for Designers and Structural Engineers – R.I. Skinner, T.E. Kelly, B.W.H. Robinson – Holmes Consulting Group Ltd, Robinson Seismic Ltd.;
• Base Isolation of Structures – Design Guidelines – T.E. Kelly – Holmes Consulting Group Ltd.;
• Displacement-Based Seismic Design of Structures – M.J.N. Priestley, G.M. Calvi, M.J. Kowalsky – IUSS PRESS.

(Din AICPS Review nr. 1-2/2016) 

Autori:
Proiectare arhitectura – arh. Vlad Simionescu, dr. arh. Raluca Buzdugan
Proiectare structura – ing. Mihai Florea, ing. Dan Iancu, ing. Eliza Ciuciucu, ing. Cleopatra Doibani, ing. Mihai Nicolau, drd. ing. Stefan Marin, ing. Diana Lobodan 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 134 – martie 2017, pag. 88