Proiectarea structurii cu diagonale cu flambaj impiedicat pentru spitalul „Marie Sklodowska Curie” din Bucuresti (I)

In ciuda performantei seismice dovedite a BRB-urilor inca de la dezvoltarea lor in Japonia in anii 1970, adoptarea lor in Europa a fost lenta, in mare parte din cauza lipsei unor prescriptii specifice de proiectare. Acesta este contextul in care vom prezenta, in acest material, utilizarea inedita a contravantuirilor cu flambaj impiedicat la construirea unei noi aripi la Spitalul de Urgenta pentru Copii „Marie Sklodowska Curie” din Bucuresti, Romania ‒ prima aplicatie de acest tip din tara. Proiectul valorifica prevederile codului P 100-1/2013 privitoare la cadrele cu contravantuiri cu flambaj impiedicat, prezentand avantajele sistemului sub aspectul vitezei de executie, rigiditatii laterale si performantei seismice. Printr-un efort de colaborare intre cadre universitare, ingineri proiectanti si constructori, lucrarea navigheaza printre provocarile de proiectare si fabricare ridicate de noutatea sistemului si de lipsa de experienta a fabricantilor. Sprijinit de analize experimentale si numerice, proiectul confirma viabilitatea BRBF-urilor, evidentiind beneficiile lor economice si de performanta pentru siguranta seismica.

INTRODUCERE

 Diagonalele cu flambaj impiedicat (Buckling Restrained Braces – BRB) au fost dezvoltate pentru prima data in Japonia in anii 1970 si au fost studiate extensiv in intreaga lume, de atunci. Ele au fost introduse in codurile de proiectare din Japonia, SUA, Canada, Taiwan [1] si sunt adoptate pe scara larga in numeroase proiecte, in special in Japonia si SUA, unde au fost utilizate in diverse aplicatii structurale [2]. Acestea includ contravantuirea structurilor noi din otel sau beton armat, consolidarea structurilor existente din otel sau beton armat, consolidarea podurilor metalice etc. In Europa, adoptarea acestui sistem a fost semnificativ mai modesta, implementarea sa fiind limitata la doar cateva proiecte, posibil si din cauza lipsei de prevederi de proiectare in actualul cod european de proiectare seismica [3]. Cu toate acestea, exista totusi prevederi de proiectare seismica pentru cadrele cu contravantuiri cu flambaj impiedicat (Buckling Restrained Braced Frames – BRBF), incepand cu 2013, in codul de proiectare seismica din Romania, P 100-1/2013 [4].

Proiectarea BRB-urilor si BRBF-urilor a fost abordata anterior in cadrul unui proiect de cercetare national, dezvoltat printr-un parteneriat intre o institutie academica (Universitatea Politehnica Timisoara), un proiectant de structuri (Popp & Asociatii SRL) si un constructor (Hydromatic Sistem SRL). Au fost dezvoltate si investigate experimental [5] si numeric [6] mai multe contravantuiri cu flambaj impiedicat cu capacitati tipice pentru cladiri de inaltime mica si medie din Romania (300 kN si 700 kN). Ca rezultat al proiectului de cercetare, a fost elaborat un ghid pentru proiectarea si fabricarea BRB-urilor „open source” si pentru proiectarea BRBF-urilor [7].

Fig. 1: Extinderea sectiei de terapie intensiva nou nascuti a spitalului „Marie Sklodowska Curie” din Bucuresti. Randare arhitecturala

Aceasta lucrare descrie procesul de proiectare a primei structuri cu contravantuiri cu flambaj impiedicat construite in Romania, subliniind motivatia adoptarii acestui sistem structural si provocarile intampinate in procesul de proiectare si fabricare.

CERINTELE DE PROIECTARE SI ALEGEREA SOLUTIEI STRUCTURALE

Proiectul a vizat construirea unei aripi noi de spital, care sa se integreze perfect cu actuala unitate de terapie intensiva a Spitalului de Urgenta pentru Copii „Marie Sklodowska Curie”. Aceasta noua structura cuprinde un subsol, parter, mezanin si trei etaje, atingand inaltimea de 20,5 m si avand o suprafata construita de aproximativ 2.850 mp.

Codurile actuale de proiectare seismica utilizeaza metoda ierarhizarii capacitatilor de rezistenta, denumita si metoda de proiectare la capacitate, in care unele componente ale sistemului structural sunt proiectate si detaliate pentru a permite disiparea energiei seismice prin deformatii inelastice, in timp de toate celelalte elemente structurale sunt proiectate pentru a avea suficienta capacitate de rezistenta pentru a nu depasi limitele comportarii inelastice si a permite dezvoltarea mecanismului de dispare de energie ales. Aceasta metoda conduce, in general, la structuri economice, la care accentul este pus in principal pe siguranta vietii, si intr-o masura mai mica pe limitarea degradarilor. Zonele disipative, ce se regasesc adesea in cadrul elementelor structurale principale, pot suferi degradari semnificative in timpul cutremurelor mai severe. Aceste degradari complica lucrarile de reparatie, crescand costurile si, adesea, necesitand relocarea ocupantilor cladirii. Pentru un spital de urgenta, acest scenariu nu este unul de dorit. Intarzierile in efectuarea reparatiilor necesare in urma unui cutremur, intarzieri datorate unor factori diversi, precum lipsa resurselor umane sau financiare, sunt inca evidente dupa ultimele evenimente seismice majore.

Inca din primele faze ale proiectarii extinderii sectiei de terapie intensiva nou nascuti a spitalului „Marie Sklodowska Curie” din Bucuresti, a fost efectuata o analiza tehnico-economica in cadrul studiului de fezabilitate, in care au fost luate in considerare diferite solutii structurale, bazate atat pe beton armat, cat si pe otel. In contextul seismicitatii ridicate a amplasamentului cat si al clasei I de importanta a structurii, un sistem flexibil, in cadre (Moment Resisting Frame – MRF), sau chiar unul de tip cadre cu contravantuiri excentrice (Eccentrically Braced Frame – EBF), nu oferea rigiditatea necesara pentru a indeplini cerintele de limitare a driftului, astfel ca singurele optiuni viabile ramase au fost peretii structurali din beton armat si cadrele metalice cu contravantuiri centrice (Concentrically Braced Frame – CBF). Solutia cu pereti din beton armat, adoptata de regula in astfel de cazuri, are avantajul unui cost de investitie initiala mai mic, dar vine cu o serie de dezavantaje, printre care cele mai importante sunt un timp de executie mai mare si costuri de reparatie mai mari din cauza dificultatii repararii degradarilor suferite in urma unui eveniment seismic major. In plus, o structura cu pereti din beton armat nu corespundea cu cerintele functionale si de arhitectura impuse datorita spatiului ocupat. Prin urmare, solutia evidenta a ramas cea a cadrelor metalice cu contravantuiri centrice. Trebuie mentionat aici ca au fost luate in considerare si alte solutii avansate de protectie seismica, precum izolarea bazei sau sisteme de amortizare suplimentara, dar pe de o parte costurile aferente depaseau bugetul alocat, iar pe de alta parte izolarea bazei, care ar fi fost cea mai indicata solutie pentru un astfel de obiectiv, nu era posibila din cauza proximitatii structurilor existente in amplasament.

Din categoria cadrelor cu contravantuiri centrice (CBF) fac parte si contravantuirile in „V” intors, dar acestea au fost excluse din cauza factorului de comportare specificat pentru acest sistem in actualul cod de proiectare seismica (q = 2,5), ceea ce le face prohibitive in acest amplasament, rezultand grinzi agabaritice si in general elemente structurale mai mari. Pe de alta parte, din aceeasi categorie a CBF-urilor, BRBF-urile, desi sunt o abordare relativ noua pe piata, reprezinta un sistem suficient de matur si bine cunoscut, iar experienta acumulata in cadrul proiectului de cercetare trecut [7] a demonstrat ca acestea nu au doar performante superioare, dar sunt si practice. Astfel, s-a luat decizia de le folosi in locul contravantuirilor centrice conventionale, fata de care codul de proiectare seismica adopta un factor de comportare mai mare (q = 6, comparativ cu q = 4), fapt datorat in principal comportarii ciclice stabile si cvasi-simetrice, ce permite o buna disipare de energie seismica. Un alt avantaj al sistemului BRBF proiectat consta in usurinta efectuarii reparatiilor data de prinderea cu suruburi a BRB-urilor de structura, care permite indepartarea si inlocuirea relativ simpla a BRB-urilor ce au suferit deformatii mari in timpul unui cutremur sever.

PROCESUL DE PROIECTARE

Amplasamentul proiectului fiind in Bucuresti, conform codului de proiectare seismica, P 100-1/2013 [4], acceleratia maxima orizontala a terenului (PGA) este a_g = 0,3 g. Datorita clasei I de importanta a cladirii, aceasta acceleratie este multiplicata cu un factor de importanta-expunere γ_I,e = 1,4, rezultand astfel o acceleratie maxima a terenului de 0,42 g (4,12 m/s²).

Desi procesul de proiectare a BRBF-uri se aseamana cu cel al cadrelor cu contravantuiri conventionale, acesta poseda cateva caracteristici specifice. Pe parcursul proiectarii unei structuri care incorporeaza BRB-uri, este esential schimbul permanent de informatie dintre proiectantul structurii si producatorul dispozitivelor. De asemenea, inca din primele etape ale proiectarii, pentru a facilita verificari structurale complete si o evaluare corecta a rigiditatii BRB-urilor, sunt necesare calcule detaliate, inclusiv ale conexiunilor BRB-urilor, desi acestea sunt ajustate si rafinate iterativ pe masura ce proiectul avanseaza. Aceasta abordare difera de cea a structurilor cu contravantuiri conventionale, unde, de regula, se realizeaza dimensionarea preliminara a elementelor in fazele initiale, urmand ca in etapele ulterioare sa se efectueze calcule detaliate legate de imbinari.

Fig. 2: Sus: vedere izometrica a structurii de otel principale. Jos: structura metalica in faza de executie (Kemfort Industry)

Fabricarea BRB-urilor este de regula realizata de un producator cu experienta anterioara cu astfel de dispozitive. Aceasta a fost si ipoteza care a stat la baza recomandarilor de proiectare rezultate in urma proiectului de cercetare [7]. In acest scenariu, proiectarea BRBF-urilor cade in responsabilitatea proiectantului de structura, in timp ce proiectarea BRB-urilor cade in responsabilitatea producatorului acestora, existand un schimb iterativ de informatie intre cei doi (fig. 3). Realitatea acestui proiect a fost ca fabricantul nu avea o experienta anterioara cu astfel de dispozitive si nici capacitate de proiectare, astfel incat responsabilitatea proiectarii BRB-urilor a fost asumata integral de catre proiectantul de structura, care, prin implicarea sa directa in proiectul de cercetare anterior, avea experienta si know-how-ul necesare. Astfel, procesul de proiectare, desi include in mare aceleasi etape, a fost usor diferit (fig. 4).

Fig. 3: Procesul conventional de proiectare, cu un producator dedicat de BRB-uri

Aceasta abordare fortuita a avut o serie de avantaje si dezavantaje. De regula, specificatiile-cheie de care are nevoie proiectantul structurii includ capacitatea BRB-urilor, rigiditatea lor efectiva (K_ef), factorul de suprarezistenta la compresiune β, precum si factorul de consolidare ω. Este de asemenea esential sa aiba acces la testele de conformitate ale BRB-urilor, ce pot fi disponibile in baza de date a producatorului. De cealalta parte, pentru a putea proiecta in mod corespunzator BRB-urile, producatorul trebuie sa cunoasca geometria si tipologia structurii, dimensiunile aproximative de gabarit ale stalpilor si grinzilor, capacitatea estimata a BRB-urilor, rigiditatea efectiva asumata a BRB-urilor, precum si fortele seismice de proiectare si deformatia laterala a cladirii.

Combinarea rolurilor de proiectant de structura si de proiectant de BRB-uri a permis o proiectare mai rapida cu un grad ridicat de flexibilitate si libertate de decizie. Dezavantajul principal a fost lipsa de know-how si de experienta cu astfel de dispozitive a producatorului, ce a ridicat o serie de obstacole in etapa de fabricatie, a dus la unele intarzieri si a necesitat modificari si tatonari succesive pentru a gasi solutii optime la probleme practice specifice. De asemenea, aceasta a insemnat ca valorile pentru factorii β si ω au fost in general cele maxime, nu cele reale, optimizate, ceea ce a condus, evident, la o usoara supradimensionare a grinzilor, a stalpilor si a imbinarilor.

Fig. 4: Procesul efectiv de proiectare, cu proiectarea integrata a structurii si a BRB-urilor

Din punct de vedere al analizei structurale, BRBF-urile nu necesita analize speciale, in comparatie cu CBF-urile conventionale. Aceasta este chiar mai simpla, deoarece BRB-urile se comporta in mod similar la compresiune si intindere, comparativ cu contravantuirile conventionale, care la compresiune flambeaza la un efort relativ redus, iesind din lucru. BRB-urile sunt modelate relativ simplu, folosind sectiunea miezului din zona plastica, afectata cu un coeficient de corectie a rigiditatii, pentru a tine cont de lungimea efectiva a acesteia. Acest factor de corectie este estimat initial in mod aproximativ, urmand ca, ulterior, valoarea acestuia sa fie calculata mai exact pe baza geometriei BRB-ului. Pentru evaluarea raspunsului seismic, a fost efectuata o analiza simpla cu spectre de raspuns, utilizand un software comercial pentru analiza structurala.

Criteriile care au guvernat proiectarea BRB-urilor au fost limitarea deplasarii relative de nivel si parametrii de limitare din precalificare. Dintre acestia, cea mai importanta este limitarea valorii deformatiei axiale a miezului BRB-ului.

Structura poate fi dimensionata preliminar pe baza unor valori orientative ale rigiditatii efective si a factorilor de suprarezistenta. In cele din urma, aceste valori ar trebui sa fie specificate si ajustate de catre producatorul dispozitivului. Desi rigiditatea BRB-ului poate fi determinata relativ simplu in mod analitic din geometria sa, factorii β si ω trebuie sa fie furnizati de catre producator pe baza unor incercari experimentale. Acesti factori depind de mai multe aspecte, incluzand grosimea si proprietatile materialului neaderent, dimensiunile si proportiile miezului, precum si tipul si proprietatile materialului din care este realizat miezul.

Fig. 5: Modelul de calcul numeric

1. Calculul rigiditatii BRB-urilor

Barele contravantuirilor cu flambaj impiedicat au fost modelate prin elemente 2D de tip bara, cu sectiune constanta corespunzatoare miezului din otel al contravantuirii pentru a reflecta rezistenta acestora.

Datorita faptului ca miezul unui BRB este compus din cateva segmente cu sectiuni diferite, rigiditatea efectiva a acestuia, , reprezinta rigiditatea echivalenta a mai multor resorturi dispuse in serie, unde K_I, K_E, K_T si K_P reprezinta rigiditatile zonelor de imbinare, zonelor elastice, zonelor de tranzitie, respectiv ale zonelor plastice ale miezului BRB-ului:

Fig. 6: Calculul analitic al rigiditatii efective echivalente

Pentru a modela corect rigiditatea acestora, rigiditatea echivalenta a barei de sectiune constanta a fost corectata prin multiplicarea cu factorul k:

k = K_ef ⋅ L_n/(E ⋅ A_p)

Pentru factorul de multiplicare al rigiditatii s-au considerat valori cuprinse intre k = 1,6 ÷ 2,7, determinate iterativ in faza initiala de proiectare.

Conform raportului tehnic si stiintific din etapa 1/2014 – Proiectarea cadrelor model cu BRB si sinteza informatiilor existente, rigiditatea efectiva se incadreaza intre valorile k = 1,2 ÷ 2,0, in timp ce, conform NEHRP Seismic Design Technical Brief No. 11, k = 1,3 ÷ 1,7. Valoarea medie initiala recomandata pentru calculul de predimensionare conform Recomandari de proiectare pentru cadre cu contravantuiri cu flambaj impiedicat este k = 1,5.

2. Verificarea driftului

Verificarea deplasarilor in urma actiunii seismice a fost realizata in acord cu prevederile Anexei E din P 100-1/2013:

Deplasarea relativa de nivel la Starea Limita de Serviciu (SLS):

Local, pe zona de supanta, s-a admis depasirea valorii de 0,05 h, pe directie X, tinand seama de natura inchiderilor si compartimentarilor, care sunt capabile sa preia astfel de deplasari relative:

Deplasarea relativa de nivel la Starea Limita Ultima (SLU):

3. Criteriile de proiectare determinante pentru stabilirea sectiunilor BRB-urilor

Criteriile determinante care au dus la stabilirea sectiunii BRB-urilor au fost cele impuse de limitele de precalificare. Dintre acestea, incadrarea in limitele raportului laturilor sectiunii, 4 ≤ h_p  ⁄ t_p ≤ 5 si limitarea deformatiei axiale a miezului BRB-ului la valoarea-limita validata experimental, ε_b.Ed ≤ ε_b.max = ±4 %, au fost cele mai severe. Astfel, a reiesit clar ca sistemul nu este aplicabil structurilor la care rezulta diagonale foarte scurte datorita geometriei cadrelor contravantuite. Drept urmare, pentru a putea fi folosit un astfel de sistem, raportul lungimii zonei plastice a diagonalei trebuie sa fie mai mare de 45% din lungimea nominala a diagonalei (L_p ⁄ L_n ≥ 0,45). Imbinarile cu geometrie compacta sunt astfel mai avantajoase, deoarece permit o lungime mai mare a zonei plastice.

Fig. 7: Detaliu de nod cu prinderea BRB-urilor

 (va urma)

REFERINTE

[1] XIE Q. (2005). State of the art of buckling-restrained braces in Asia. Journal of Constructional Steel Research 61:727–748. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2004.11.005;

[2] UANG C.-M., NAKASHIMA M., TSAI K.-C. (2004). Research and application of buckling-restrained braced frames. International Journal of Steel Structures 4:301–313;

[3] EN 1998-1 (2004). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings. European Committee for Standardization (CEN);

[4] P 100-1 (2013). Code for seismic design. Part I – Design prescriptions for buildings;

[5] STRATAN A., ZUB C.I., DUBINA D. (2020). Prequalification of a set of buckling restrained braces: Part I ‒ experimental tests. 1 34:547–559. https://doi.org/10.12989/scs.2020.34.4.547;

[6] ZUB C.I., STRATAN A., DUBINA D. (2020). Prequalification of a set of buckling restrained braces: Part II – numerical simulations. 1 34:561–580. https://doi.org/10.12989/scs.2020.34.4.561;

[7] STRATAN A, ZUB C., DOGARIU A., DINU F., DUBINA D., VOICA F., GANEA M.-A., MARCU D., COMAN M., BADEA I.-C., TODEA A. (2017). Design recommendations for buckling restrained braced frames (in lb. romana), https://www.ct.upt.ro/centre/cemsig/imser.htm. Orizonturi Universitare;

[8] SR EN 15129 (2018). Anti-seismic devices;

[9] ANSI/AISC 341-22 (2022). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings.

Autori:

Toma-Florin VOICA ‒ Universitatea Politehnica Timisoara | Popp & Asociatii SRL

Aurel STRATAN ‒ Universitatea Politehnica Timisoara

Anna ENE ‒ Universitatea Politehnica Timisoara

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 230 – noiembrie 2025, pag. 60-65