POPP & ASOCIATII: Utilizarea amortizoarelor vascoase pentru controlul deplasarilor laterale. Cladirea Orhideea Towers, Bucuresti

Proiectul care a stat la baza cladirii de birouri Orhideea Towers din Capitala a fost unul de o dificultate deosebita, iar pentru conceptul de arhitectura – realizat de o companie din Austria – au trebuit gasite solutii complexe si ingenioase, astfel incat sa poata fi implementat intr-o zona cu seismicitate de natura celei a Municipiului Bucuresti, Romania. La ora actuala, este prima cladire din Europa echipata cu un sistem pasiv de dispozitive (exclusiv) seismice de tip amortizoare cu fluid vascos. Proiectarea a reprezentat o provocare, de la nivelul fundatiilor speciale de adancime (prin intermediul unor piloti forati cu injectie pe suprafata laterala), pana la ultimul nivel al suprastructurii, realizate cu nuclee din beton, plansee de tip dala groasa si cadre metalice in fatadele transversale cu contravantuiri centrice echipate cu amortizoare cu fluid vascos.

Vom descrie in linii generale, in cele ce urmeaza, aspectele-cheie ale proiectarii structurale si geotehnice a cladirii, insistand in mod special asupra principiilor de utilizare a dispozitivelor de tipul amortizoare vascoase, al caror rol principal a fost acela de a reduce deplasarile laterale ale fatadelor situate la extremitatile cladirii.

Cladirea de birouri Orhideea Towers este amplasata in Bucuresti, sectorul 6, pe Soseaua Orhideelor nr. 15, la intersectia dintre Soseaua Orhideelor si Blvd. Independentei, pe un teren cu suprafata de aproximativ 7.450 mp, avand un regim de inaltime 2S+ST+ P+1-15E+ET.

Are o amprenta la sol de aproximativ 6.600 mp, cele doua subsoluri intinzandu-se pe aproape intreaga suprafata a terenului detinut. Infrastructura este realizata din elemente din beton armat (ziduri, stalpi, plansee), iar suprastructura este realizata din pereti din beton armat (nuclee), plansee dala si stalpi.

Cladirea are o forma neregulata in plan (o forma tip „fluture”), dar si pe inaltime, blocul sudic avand 12 etaje (incluzand parterul), iar blocul nordic, 16 etaje (inclusiv parterul).

Infrastructura s-a executat in interiorul unei incinte inchise, realizate din pereti ingropati de beton armat, executati sub protectia noroiului bentonitic (panouri de pereti mulati), care au fost sprijiniti in timpul lucrarilor folosind spraituri din otel montate pe doua planuri orizontale, fixate in structura de beton armat a subsolurilor executate mai intai pe zona centrala (sub forma unei „insule”).

Subsolurile asigura spatii de parcare si circulatii auto, spatii tehnice, spatii de depozitare, adaposturi ALA etc.

In afara celor 2 subsoluri, care se intind pe aproape intregul lot, cladirea mai are un nivel cu rol de subsol tehnic, intre parter si primul subsol.

Acest subsol tehnic are aceeasi forma si amprenta la sol ca si partea supraterana, dar are perimetrul inchis complet cu pereti sau grinzi-pereti de beton armat cu grosimea de 60 cm.

Asadar, aripa de sud are deasupra terenului regim de inaltime P+11E+E.Tehnic, iar aripa de nord are deasupra terenului regim de inaltime P+15E+E.Tehnic.

Inaltimea totala supraterana este de aprox. 63 m.

ASPECTE DE PROIECTARE A INFRASTRUCTURII

Subsolurile au fost proiectate cu un sistem constructiv constand in pereti de beton armat, cu grosimi diferite (variind intre 25 si 60 cm), stalpi din beton armat, plansee din beton armat de tip dala groasa, fara grinzi, cu exceptia anumitor zone indicate in planurile proiectului, unde s-au folosit rigle de cuplare pentru peretii de beton. Un caz particular il reprezinta subsolul tehnic. Acest nivel are cu mult mai multi pereti de beton decat etajele standard ale suprastructurii si conturul sau este inchis cu pereti sau grinzi foarte inalte – grinzi-pereti (60 cm x 180 cm sau 60 cm x 279 cm – ce reprezinta de fapt intreaga inaltime a subsolului tehnic). Pe aceste grinzi sunt sustinuti unii dintre stalpii suprastructurii, care nu au putut avea continuitate in subsol si a caror rezemare pe grinzile-pereti este de tip articulat (toti stalpii avand exclusiv rol gravitational).

Sistemul de fundare este alcatuit din radier general, cu o grosime de 2,00 m sub zona centrala a nucleelor si 1,50 m in restul suprafetei, ce reazema pe pilotii forati cu diametru de 80 cm si 90 cm. Lungimea pilotilor de fundare a fost stabilita in faza de executie pe baza incercarilor in teren si, cu ajutorul unei tehnologii de injectare pe suprafata laterala, s-a obtinut si cresterea capacitatii portante, si deci optimizarea pilotilor – reducerea lungimii lor.

ASPECTE DE PROIECTARE A SUPRASTRUCTURII

Sistemul constructiv principal consta din pereti / nuclee din beton armat, cu grosimi cuprinse intre 50 – 70 cm, reprezentand sistemul structural de rezistenta la seism, stalpi din beton armat, in fatadele longitudinale si in partea centrala a spatiilor de birouri, care preiau doar sarcina gravitationala, fiind prinsi articulat la baza la contactul cu infrastructura. Stalpii sunt circulari si au diametre cuprinse intre 50 cm – 70 cm si cadre metalice cu dispozitive seismice (amortizoare vascoase) in cele patru fatade transversale.

Cadrele metalice cu dispozitive sunt constituite din stalpi metalici cu sectiune circulara goala, grinzi metalice, amortizoare cu fluid vascos montate pe diagonale / contravantuiri metalice. Diagonalele sunt conectate cu elementele cadrului doar din 2 in 2 etaje, acolo unde exista grinzi metalice. La nivelurile dintre 2 grinzi metalice diagonalele au miscarea libera prin goluri special prevazute in plansee.

Folosirea amortizoarelor cu fluid vascos in fatadele transversale reprezinta un element-cheie al acestei structuri si solutia optima.

Figura 4 ilustreaza schema structurii de rezistenta a unei fatade transversale.

Rolul amortizoarelor cu fluid vascos nu a fost acela de a creste semnificativ amortizarea globala a intregii structuri, ci este unul de control si limitare a deplasarilor laterale (cauzate de actiunea seismica) a cadrelor din fatadele transversale ale fiecarei aripi a cladirii – pe directie transversala, mentinand – in acelasi timp – un nivel de forta axiala, in stalpii de otel ai acestor cadre de fatade, suficient de redus incat sa poata fi preluat prin folosirea unor sectiuni rationale si care sa nu induca in infrastructura si eforturi excesiv de mari.

Solutia a fost adoptata dupa studierea altor variante (contravantuiri clasice de otel, contravantuiri cu flambaj impiedicat). Toate acestea conduceau insa la forte extrem de ridicate in stalpii de otel, ceea ce avea consecinte directe asupra sectiunilor lor si un impact urias asupra fundatiilor si subsolurilor.

Sistemele de plansee utilizate la nivel de suprastructura sunt:

• Plansee dala cu grosime de 24 cm in spatiile standard de birouri. Planseele dala au fost necesare din cauza cerintelor de natura arhitecturala, pentru a putea obtine inaltimea neta dorita a etajelor si pentru a avea suficient spatiu pentru conductele si tubulaturile de instalatii.
• Plansee foarte groase intre cele doua corpuri ale cladirii (in zona de legatura). Grosimea acestor plansee creste de la 30 cm (la nivelurile inferioare) pana la 50 cm (la nivelurile superioare). Aceste plansee sunt de asemenea armate cu profile de otel (armatura rigida), in grosimea lor, prelungite in peretii din beton ai nucleelor centrale, pentru a putea suporta fortele extrem de ridicate generate intre cele doua corpuri ale cladirii in cazul actiunii seismice de proiectare.
• Pe inaltimea fiecarui etaj tehnic (E12 si E16) au fost prevazute, pe directie longitudinala, grinzi-pereti din beton armat foarte rigide 50 cm x 300 cm. Acestea conecteaza nucleele de scara cu nucleele centrale, creand astfel un efect global de rigiditate asupra intregii structuri.

ELEMENTE DE DIMENSIONARE SI COMPORTAREA AMORTIZOARELOR VASCOASE

Fiecare corp de cladire luat separat ar fi avut rigiditate insuficienta pe directia transversala, motiv pentru care legarea corpurilor cu planseele pe zona centrala a devenit obligatorie.

Totusi, in afara raspunsului dinamic de ansamblu, s-a identificat si un raspuns dinamic local al fiecarei aripi a cladirii. Practic, fiecare aripa de cladire ajungea sa aiba modurile ei proprii de vibratie, distincte. Totodata, niciuna dintre aripile cladirii nu avea suficienta rigiditate asigurata de nucleul de scara (cu dimensiuni relativ mici in plan) apropiat de respectivul capat de cladire.

De aceea, se ajungea la situatia ca acele capete de aripi de cladire sa aiba valori de drift peste limitele admise. Era, deci, nevoie de elemente care sa rigidizeze cadrele de capat din fatadele transversale (sau care sa limiteze deplasarile).

Nu a fost posibila amplasarea de pereti din beton armat in fatadele transversale (atat din motive arhitecturale la nivel de suprastructura, cat si din motive functionale la nivel de subsoluri, intrucat prin zonele respective erau circulatii auto care nu puteau fi deviate).

Un sistem de contravantuiri clasic conducea la forte axiale de dimensionare extrem de mari in stalpii de colt (cca. 40.000 kN), evident cu efecte grave si asupra fundatiilor si subsolurilor, nu doar asupra stalpilor in sine.

Un sistem de contravantuiri impiedicate la flambaj fie:

– conducea din nou la forte axiale foarte mari in stalpi, daca aceste contravantuiri erau suficient de rigide, intrucat se plastificau la forte prea mari;

– nu mai asigura satisfacerea conditiei de drift pentru aceste cadre, daca se dimensionau contravantuirile astfel incat sa se plastifice la forte suficient de mici incat sa nu conduca la tensiuni excesive in stalpii de colt.

S-a ajuns astfel la concluzia ca singura modalitate in care cladirea poate „functiona” si in care se poate rezolva sistemul structural este de a prevedea in cadrele marginale ale aripilor cladirii (fatadele transversale) un sistem de diagonale, in care sa se integreze amortizoare vascoase.

Efectul amortizoarelor este unul pe cat de semnificativ, pe atat de impresionant: valorile de drift au putut fi controlate si mentinute in limitele impuse de cod, iar fortele axiale din stalpi au ajuns la cca. 7.000 kN.

Structura a fost modelata si analizata folosind soft-ul ETBAS Nonlinear.

S-au efectuat analize/modelari pe baza de spectre de raspuns & „time-history” dinamic neliniar (analiza rapida neliniara – FNA) cu neliniaritate la nivelul amortizoarelor (modelate ca link-uri) si la nivelul terenului (interactiune teren-structura).

Datele introduse in vederea analizei time-history au constat din accelerograme inregistrate, precum si sintetice, compatibile cu spectrul de raspuns elastic si intrunind conditiile stabilite in P100-1/2013. Au fost aplicate simultan cate doua accelerograme (pe coordonatele X & Y), conform prevederilor codului.

Intr-o prima etapa, suprastructura a fost modelata si analizata pornind de la considerentul ca este incastrata la cota „zero”. Ulterior, s-a efectuat o modelare mai complexa, luandu-se in considerare toate subsolurile, fundatia (radierul general), pilotii si interactiunea teren-structura, folosindu-se un model elastic (Winkler).

Pe baza analizelor spectrale initiale, si dupa analizarea raspunsului structurii in termeni de eforturi si deplasari, pentru diferite valori ale amortizarii globale, s-a hotarat ca o amortizare globala de 10% da rezultate satisfacatoare, indeplinindu-se cerintele de limitare a deplasarilor, si conduce la eforturi acceptabile in elementele structurale.

Amortizoarele vascoase (care actioneaza practic numai pe directie transversala – Y) au fost predimensionate pe baza amortizarii tinta de 10%, ceea ce inseamna ca sporul de amortizare (vascoasa) va fi de 5% in raport cu amortizarea globala a structurii de beton armat, considerata a fi 5%.

In modelul macro-structural, amortizoarele au fost modelate ca amortizoare cu fluid vascos cu amortizare neliniara (sau amortizoare vascose neliniare).

Forta amortizorului neliniar este exprimata prin ecuatia:

F = C · na

unde:

– C este constanta de amortizare;

– n este viteza relativa intre capetele amortizorului, data de miscarea relativa a capetelor (scurtarea sau lungirea amortizorului, determinata de o solicitare dinamica ciclica);

– a este exponentul amortizarii. In cazul a = 1 se ia in considerare o amortizare liniara, in timp ce in cazul a ≠ 1 se ia in considerare o amortizare neliniara.

S-a considerat o valoare a exponentului amortizarii a de 0,15 (a = 0,15).

In literatura de specialitate se cunosc doua tipuri de modelare a comportarii elementelor cu amortizare vasco-elastica: modelul Kelvin si modelul Maxwell. Modelul Kelvin, in care componenta vascoasa este legata in paralel cu cea elastica, poate fi folosit atat pentru a modela amortizoare introduse intr-un cadru metalic, cat si in cazul amortizoarelor folosite in paralel cu sistemele de izolare a bazei. Modelul Maxwell, in care componenta vascoasa este legata in serie cu cea elastica, se poate folosi pentru modelarea atat a amortizorului propriu-zis cat si a diagonalei elastice din care acesta face parte.

In situatia de fata si pentru o analiza neliniara, a fost adoptat modelul Maxwell, amortizoare cu fluid vascos neliniare, modelate in serie cu diagonala.

Valoarea constantei de amortizare C a fost calibrata astfel:

• Pentru aripa de sud (P+11 etaje): C = 1.500 kN(s/m)a
• Pentru aripa de nord (P+15 etaje): C = 2.000 kN(s/m)a

Se impun cateva comentarii foarte importante:

• Forta taietoare de baza fara amortizare suplimentara se inscrie intre aceleasi valori (94.000…100.000 kN);
• Forta taietoare de baza rezultata din analiza spectrala, cu amortizare suplimentara (81.300 kN) – pe directia Y –, este cu aprox. 18% mai mica decat forta taietoare de baza pe directia Y fara amortizare suplimentara (99.400 kN);
• Acest lucru corespunde unei micsorari a fortei cu coeficientul de 0,82, ceea ce inseamna o fractie a amortizarii critice de 9,9%, dupa scara spectrului de proiectare;
• In acelasi timp, forta taietoare de baza rezultata din analiza time-history (unde toate amortizoarele se incarca in functie de vitezele la care sunt supuse, adica in functie de inputul dinamic), are valoare foarte apropiata de FTB din analiza spectrala (79.000 kN fata de 81.300 kN). Aceasta corespunde unei micsorari a fortei cu aprox. 20%, ceea ce inseamna o fractiune din amortizarea critica de cca. 10%.

Datele de mai sus reprezinta prima validare a modelului si analizei, confirmand ca amortizoarele proiectate in prealabil si introduse in model conduc la obtinerea sporului de amortizare pentru care au fost predimensionate.

Dupa cum se poate vedea, efectul amortizoarelor apare numai pe directia Y, asa cum se preconiza. FTB pe directia X, in analiza spectrala FARA spor de amortizare si in analiza dinamica, au valori foarte apropiate.

S-a analizat fezabilitatea folosirii unui sistem de contravantuiri clasice. Acesta conducea la eforturi exagerat de mari in elementele structurale. Exemplificam in figura 7 acest lucru, prin comparatie cu solutia proiectata si pusa in opera.

CONCLUZII

Orhideea Towers reprezinta, fara indoiala, o cladire emblematica pentru Bucuresti, datorita unei viziuni si unui concept arhitectural indraznete si cu mult in afara tiparului arhitectonic al cladirilor de birouri.

Conceptul arhitectural inovator a atras dupa sine, dupa cum era de asteptat, o serie de dificultati majore in conformarea si proiectarea structurii de rezistenta, intr-o zona seismica cum este Bucurestiul.

De aceea, proiectarea cladirii Orhideea Towers a insemnat o reala provocare, iar echipa de ingineri si tehnicieni care a lucrat la acest proiect a fost una extrem de mare si a cuprins specialisti cu un foarte inalt nivel de cunoastere si experienta. Elementele extrem de dificile ale proiectului au condus la necesitatea dezvoltarii sau implementarii unor solutii inovatoare in Romania.

Folosirea amortizoarelor cu fluid vascos ca dispozitive (exclusiv) seismice pasive reprezinta o solutie de pionierat, si nu doar in Romania. Orhideea Towers a fost prima cladire din Europa echipata cu astfel de dispozitive seismice.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 193 – iulie 2022, pag. 44