POPP & ASOCIATII: Utilizarea in practica a contravantuirilor cu flambaj impiedicat

Contravantuirile cu flambaj impiedicat (BRB – Buckling Restrained Braces) prezinta numeroase avantaje fata de contravantuirile conventionale. Sisteme structurale care folosesc BRB-uri sunt implementate in multe proiecte la nivel mondial, in special in Statele Unite si Japonia, dar in Europa acestea au o raspandire mult mai modesta. Codul romanesc de proiectare seismica P100-1/2013 introduce in premiera europeana prevederi de proiectare pentru cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat. Pe langa prevederile acestuia, venind in sprijinul inginerilor proiectanti, un suport semnificativ este oferit de proiectul „Implementarea in practica de proiectare anti-seismica din Romania a contravantuirilor cu flambaj impiedicat (IMSER)”, elaborat in colaborare de Universitatea Politehnica Timisoara, Popp & Asociatii SRL si SC Hydromatic Sistem SRL.

Construind pe cunostintele acumulate in cadrul proiectului amintit, lucrarea de fata prezinta experienta dobandita in procesul de proiectare si executie a unui nou corp de cladire, reprezentand extinderea sectiei de terapie intensiva nou-nascuti a spitalului „Marie Sklodowska-Curie”, utilizand sistemul de cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat. Vom prezenta particularitati ale procesului de proiectare, avantaje ale sistemului dar si o serie de provocari intalnite pe parcursul procesului de proiectare si implementare in premiera a unui astfel de sistem la o structura noua din Romania.

Contravantuirile cu flambaj impiedicat (BRB – Buckling Restrained Braces) sunt elemente disipative de tip histeretic, dependente de deplasare, bazate pe curgerea otelului. BRB-urile au proprietati imbunatatite fata de contravantuirile clasice, obtinute prin utilizarea a doua sisteme distincte, decuplate printr-un strat neaderent. Sistemul de baza este alcatuit dintr-un miez de otel care preia incarcarea si prin curgerea materialului disipeaza energia seismica. Sistemul secundar are rolul de impiedicare a flambajului miezului, imbunatatind comportarea la compresiune a contravantuirii.

Fig. 1: Alcatuirea conceptuala a contravantuirilor cu flambaj impiedicat

Elementul obtinut (BRB) este caracterizat de o comportare cvasi-simetrica la compresiune si intindere, avand o comportare ductila si histeretic stabila (SABELLI si LOPEZ, 2008), dupa cum se poate observa in fig. 2. Din punct de vedere mecanic, decuplarea celor doua sisteme are ca efect atingerea unor forme superioare de flambaj ale miezului (SRIDHARA, 1990) odata cu cresterea incarcarii (fig. 2).

Fig. 2: Evaluarea performantei ciclice: BRB vs. contravantuire conventionala

BRB-urile au un potential ridicat in domeniul proiectarii antiseismice a structurilor datorita ductilitatii ridicate si a raspunsului ciclic simetric, comparativ cu contravantuirile conventionale. Acestea pot fi folosite atat pentru structuri noi, cat si pentru reabilitarea structurilor existente din beton armat, otel sau zidarie. Cadrele cu BRB-uri furnizeaza doua proprietati-cheie ale structurilor antiseismice: rigiditatea ridicata (pentru reducerea deplasarilor relative de nivel la cutremure moderate) si ductilitate (pentru capacitatea de disipare de energie in cazul unor cutremure severe).

CERCETAREA SI IMPLEMENTAREA BRB-URILOR

In perioada 2014-2017, Universitatea Politehnica Timisoara a coordonat proiectul de cercetare Implementarea in practica de proiectare anti-seismica din Romania a contravantuirilor cu flambaj impiedicat (IMSER), parte din programul Parteneriate in domenii prioritare – PN II, derulat cu sprijinul MEN-UEFISCDI. Proiectul a fost construit pe parteneriatul intre Universitatea Politehnica Timisoara, Popp & Asociatii SRL si Hydromatic Sistem SRL si s-a adresat unui tip relativ nou de sistem structural antiseismic: cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat (BRBF). BRB-urile au fost studiate intens la nivel mondial in ultimii 30 de ani si sunt adoptate in multe aplicatii practice, in special in Japonia si Statele Unite. Desi au fost studiate si in Europa, pana in prezent aici exista foarte putine utilizari ale acestui sistem constructiv. La aceasta situatie s-a ajuns din mai multe motive: lipsa prevederilor de proiectare din EN 1998-1, necunoasterea sistemului de catre inginerii proiectanti practicieni, nevoia de validare experimentala a sistemului si caracterul de dispozitive brevetate pe care-l au majoritatea BRB-urilor disponibile pe piata. Codul romanesc de proiectare seismica (P100-1/2013) a introdus in premiera europeana prescriptii de proiectare pentru cadre din otel cu BRB-uri. Proiectul IMSER si-a propus inlaturarea unora dintre problemele evidentiate mai sus, prin:

• dezvoltarea si precalificarea experimentala a unui set de BRB-uri uzuale in conditiile seismice din Romania, eliminand necesitatea efectuarii de incercari tip initiale (conform SR EN 15129), cel putin pentru situatiile de proiectare mai frecvente;
• transferul de know-how despre proiectarea si fabricarea dispozitivelor BRB catre partenerul industrial, in vederea producerii in serie a acestora;
• elaborarea unor recomandari de proiectare pentru contravantuiri cu flambaj impiedicat (la nivel de element) si pentru structuri din otel cu BRB-uri (la nivel de sistem).

Aspecte teoretice ale proiectarii BRB-urilor

Desi schema de principiu a procesului de proiectare a cadrelor cu contravantuiri cu flambaj impiedicat este asemanatoare cu cea a cadrelor cu contravantuiri clasice, cea dintai are cateva caracteristici specifice. In fig. 3 este ilustrata schema de principiu a procesului de proiectare a cadrelor cu BRB-uri. Pe tot parcursul proiectarii structurii contravantuite cu BRB-uri este necesar un schimb de informatii cu fabricantul dispozitivelor.

Fig. 3: Schema teoretica de proiectare a cadrelor contravantuite cu BRB-uri

Principalele caracteristici de care are nevoie proiectantul structurii sunt: capacitatea BRB-ului, rigiditatea efectiva K_ef, precum si factorii de suprarezistenta ω si ωβ. Este importanta de asemenea si existenta unor incercari de conformitate a BRB-urilor, care pot exista in baza de date a fabricantului. Pe de alta parte, pentru a putea proiecta BRB-urile, fabricantul trebuie sa cunoasca geometria si tipologia structurii, dimensiunile aproximative ale stalpilor si grinzilor, capacitatea aproximativa a BRB-urilor, rigiditatea efectiva a BRB-urilor considerata in calcul, precum si fortele seismice de calcul si deformatiile laterale ale cladirii.

Structura poate fi predimensionata pe baza unor valori orientative ale rigiditatii efective si a factorilor de suprarezistenta. In final, aceste valori trebuie specificate/corectate de fabricantul dispozitivelor. Daca rigiditatea BRB-ului poate fi determinata analitic relativ direct pe baza geometriei sale, factorii de suprarezistenta, ω si ωβ, trebuie specificati de fabricant pe baza incercarilor experimentale. Cei din urma variaza in functie de mai multi factori, printre care dimensiunea si natura stratului neaderent, dimensiunile si proportiile miezului, tipul si caracteristicile materialului miezului etc.

Punere in practica

In cadrul proiectului de extindere a sectiei de terapie intensiva neonatologie din cadrul spitalului „Marie Sklodowska-Curie” din Bucuresti, in urma analizei tehnico-economice efectuate la faza preliminara de studiu de fezabilitate, s-a decis utilizarea sistemului structural de tip cadre metalice contravantuite cu BRB-uri, utilizand si experienta directa dobandita prin participarea ca partener la proiectul de cercetare IMSER.

In afara de solutia in cadre metalice cu contravantuiri cu flambaj impiedicat (BRBF), s-au analizat si alte posibilitati de rezolvare structurala, printre care se pot enumera: solutia unei structuri cu pereti din beton armat si solutia unei structuri metalice contravantuite centric (contravantuiri conventionale).

Pe langa o comportare mai buna in comparatie cu celelalte sisteme analizate si o capacitate mare de disipare a energiei, solutia sistemului structural din cadre cu BRB-uri a reiesit si cea mai potrivita din punct de vedere al indeplinirii cerintelor de functionalitate ale constructiei.

Descrierea structurii

Obiectivul proiectului este construirea unui corp nou de spital, in conexiune cu actuala sectie de terapie intensiva a Spitalului Clinic de Urgenta pentru copii „Marie Sklodowska Curie”.

Constructia are un regim de inaltime Subsol +Parter +Mezanin+3Etaje, cu o inaltime supraterana de 20,5 m si o suprafata construita de aproximativ 2.850 mp.

Fig. 4: Extinderea sectiei de terapie intensiva neonatologie din cadrul spitalului „Marie Sklodowska-Curie” din Bucuresti. Randari arhitecturale

Sistemul structural pentru preluarea fortelor orizontale este alcatuit din cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat (BRBF –Buckling Restrained Braced Frames). Suprastructura este realizata cu plansee din beton armat si tabla cutata rezemate pe un sistem de grinzi secundare articulate, realizate in solutie compusa otel – beton.

Fig. 5: Vedere izometrica a structurii metalice principale

Aspecte practice ale proiectarii si fabricarii BRB-urilor

Contravantuirile cu flambaj impiedicat au fost adoptate la multe proiecte, in special in Japonia si S.U.A. Acestea au fost folosite in aplicatii structurale precum contravantuirea structurilor noi din otel sau beton armat, consolidarea structurilor existente din otel sau beton armat, consolidarea podurilor metalice si altele.

La nivel european, raspandirea acestui sistem este mult mai modesta, fiind implementat intr-un numar foarte restrans de proiecte. Regulile de proiectare a cadrelor cu contravantuiri cu flambaj impiedicat din codul romanesc de proiectare seismica P100-1/2013 ne ofera atat prevederi clare referitoare la modul de proiectare a acestui tip de sistem, cat si parametrii tehnici in care trebuie sa se incadreze contravantuirile pentru a putea fi considerate BRB-uri.

Cadrele cu contravantuiri cu flambaj impiedicat (BRBF) pot fi considerate drept sistem principal de preluare a fortelor orizontale sau drept sistem secundar cu rol de amortizare histeretica suplimentara. Normativul P100-1/2013 reglementeaza prima varianta, cea de sistem principal de preluare a fortelor orizontale in care zonele disipative apar doar in BRB-uri, adica acestea trebuie proiectate astfel incat plasticizarea contravantuirilor sa se produca inainte de formarea articulatiilor plastice sau pierderea stabilitatii generale in grinzi si stalpi.

Pe langa configuratiile admise la contravantuirile conventionale, BRB-urile aduc posibilitatea dispunerii contravantuirilor diagonal in aceeasi directie sau diagonal in directii diferite, datorita capacitatii lor de a lucra atat la intindere, cat si in compresiune. Modul de alcatuire a BRB-urilor nu permite prinderea de mijlocul acestora, ceea ce exclude configuratia contravantuirilor in X pe un singur nivel.

Fig. 6: Posibilitatile de dispunere a contravantuirilor cu flambaj impiedicat

Inca din fazele incipiente ale proiectului, pentru a putea realiza verificari de ansamblu ale structurii, se vor realiza calcule de detaliu si se va stabili o geometrie preliminara pentru imbinari si miezul BRB-ului; acestea se vor ajusta si imbunatati pe parcursul avansarii proiectului si actualizarii informatiilor disponibile. Acest proces este diferit fata de cel de concepere a structurilor contravantuite conventional, unde in faza de concept, de regula, se realizeaza calcule de predimensionare a elementelor, iar cele de detaliu se realizeaza in fazele ulterioare.

Conformarea contravantuirilor se bazeaza pe efectuarea de incercari experimentale realizate pe baza prevederilor din SR EN 15129. Acestea constau in incercari tip initiale (incercari de validare) si incercari de control in fabrica pe cel putin 2% din specimenele livrate in cadrul unui proiect. Sunt acceptate in calcul atat rezultatele obtinute in cadrul incercarilor pentru proiectul respectiv cat si rezultatele incercarilor experimentale prezentate in literatura de specialitate sau incercari pentru alte proiecte similare.

Avand in vedere faptul ca protocolul de incercare experimentala ANSI/ AISC 341 este compatibil cu cerintele codului romanesc de proiectare seismica P100-1/2013, fiind in acelasi timp mai acoperitor decat cel din SR EN 15129, se recomanda calificarea experimentala a BRB-urilor in baza protocolului ANSI/ AISC 341.

Pentru a nu fi nevoie de realizarea incercarilor tip initiale (incercari de validare), BRB-urile pot fi proiectate si detaliate conform recomandarilor elaborate pe baza incercarilor experimentale efectuate in cadrul proiectului IMSER. Aceste recomandari se regasesc in rapoartele tehnice de activitate ale proiectului si in volumul Recomandari de proiectare pentru cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat.

Spre deosebire de contravantuirile conventionale, tehnologia de fabricare a BRB-urilor este mai complexa si mai stricta, si, in consecinta, necesita un control riguros al calitatii. Acest lucru se datoreaza faptului ca BRB-urile sunt dispozitive antiseismice, conform SR EN 15129.

Fig. 7: Miezul BRB-ului dupa debitarea grosiera

Fig. 8: Debitarea miezului la cote finite prin procedeu mecanic (frezare)

Fig. 9: Asamblarea miezului

Fig. 10: Aplicarea materialului compresibil

Fig. 11: Aplicarea stratului neaderent

Fig. 12: Suspendarea BRB-urilor pentru turnarea betonului

Fig. 13:  Standul pentru incercarile experimentale din cadrul proiectului IMSER

Dupa cum se poate observa in schema logica din fig. 3, procesul de proiectare si fabricare a contravantuirilor cu flambaj impiedicat este unul iterativ. Acest proces necesita un schimb permanent de informatii si o buna coordonare intre proiectantul de structura si fabricantul BRB-urilor. Ambele parti vor fi implicate in acest proces. Experienta fabricantului in realizarea acestui tip de elemente este benefica si poate aduce avantaje, optimizari de costuri si de durata de implementare a sistemului, insa nu reprezinta o cerinta obligatorie. In cazul in care nu exista o experienta anterioara in fabricarea BRB-urilor, este important sa se transfere know-how-ul catre fabricant, inclusiv sa se stabileasca proceduri corespunzatoare de lucru, impreuna cu proiectantul contravantuirilor cu flambaj impiedicat, pentru obtinerea unui rezultat cat mai bun la fabricarea BRB-urilor.

Geometria si capacitatea finala a contravantuirilor este stabilita in baza posibilitatilor tehnologice ale fabricantului, de aprovizionare cu material, de transport si montaj, de testare si respectiv de factorii de suprarezistenta obtinuti in urma testarii.

AVANTAJELE UTILIZARII BRB-URILOR

Printre avantajele utilizarii cadrelor cu contravantuiri cu flambaj impiedicat se pot enumera:

• comportare histeretic stabila, respectiv comportare cvasi-simetrica atat la intindere, cat si la compresiune;
• curgerea miezului atat la intindere, cat si la compresiune;
• simplitatea modelarii in programele dedicate analizei structurale;
• posibilitatea dimensionarii contravantuirilor pentru o capacitate cat mai apropiata de efortul de calcul, pentru a asigura plasticizarea tuturor sectiunilor;
• capacitate mare de disipare a energiei in cazul unor cutremure severe;
• rigiditate de ansamblu a structurii sporita;
• posibilitatea ajustarii rigiditatii structurii din geometria miezului BRB-urilor;
• dirijarea degradarilor in urma unui cutremur major doar in BRB-uri, protejand restul elementelor structurale de degradari majore;
• posibilitatea de a inspecta contravantuirile in urma unui cutremur sever si de a le inlocui;
• posibilitatea utilizarii sistemului atat pentru constructiile noi, cat si pentru lucrarile de consolidare;
• limitarea eforturilor in elementele existente, in cazul consolidarilor, datorita capacitatii mari de disipare a energiei, ceea ce reduce costurile lucrarilor de consolidare pentru constructiile existente.

REFERINTE:

[1] P100-1/2013 – Cod de proiectare seismica. Partea I: Prevederi de proiectare pentru cladiri;

[2] ANSI/ AISC 341 – Seismic Provisions for Structural Steel Buildings;

[3] SR EN 15129 (2010) –  Dispozitive antiseismice, ASRO;

[4] SABELLI,  R., LOPEZ,  W.A. (2008). Buckling-Restrained Braced Frames. NASCC The Steel Conference, Nashville, Tennessee, Aprilie 2-5, 2008;

[5] SRIDHARA, B.N. (1990). Sleeved column as a basic compression member. Proceedings of the 4^th International Conference on Steel Structures & Space Frames, Singapore, pp. 181-188;

[6] STRATAN, A., ZUB, C., DOGARIU, A., FLOREA, D., DUBINA, D. (2017). Recomandari de proiectare pentru cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat.

Autori:

ing. Stefan GRIGORAS – Project Manager,

ing. Vlad-Cristian DINU – Senior Project Manager,

ing. Ionel-Claudiu BADEA – Director Proiectare,

ing. Toma-Florin VOICA – Director Cercetare-Dezvoltare, POPP & ASOCIATII SRL

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 207 – octombrie 2023, pag. 28-32