cuprinsdigilib.utcb.ro/repository/ccn/pdf/radaceanuvalentin.pdf · 2017. 9. 12. · siguranta...

164
Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant 1 CUPRINS INTRODUCERE .................................................................................................................. - 3 - 1.ELEMENTE GENERALE................................................................................................. - 5 - 1.1. Ingineria vantului la inceput de secol XX ................................................................. - 5 - 1.2. Ingineria seismica in secolul XX. Hazardul seismic din sursa Vrancea ................... - 9 - 1.3. Studii recente cu privire la comportarea structurilor inalte si flexibile la actiuni dinamice, in special la actiunea vantului............................................................................. - 13 - 2.STRUCTURI TIP CONSOLA VERTICALA CU SECTIUNE POLIGONALA SAU CIRCULARA – TIP PILONI DE ILUMINAT SAU CU ANTENE TELECOM .............. - 24 - 2.1. Domenii de utilizare, importanta, productie ........................................................... - 24 - 2.2. Proiectarea pilonilor metalici de iluminat si Studiu de caz in incinta Aeroportului International Iasi.................................................................................................................. - 30 - 3.ANALIZA DATELOR METEOROLOGICE PRIVIND VITEZA VANTULUI LA AEROPORTUL IASI ......................................................................................................... - 38 - 3.1. Baze de date meteorologice .................................................................................... - 38 - 3.2. Analiza statistica a vitezei vantului si teoria statistica a valorilor extreme ............. - 40 - 3.3. Studiu de caz. Analiza valorilor vitezei vantului, inregistrate in cadrul Statiei Internationale Meteo – Aeroport Iasi (1976 – 2015) .......................................................... - 47 - 4.EVALUAREA ACTIUNILOR DINAMICE DIN VANT SI/SAU CUTREMUR ASUPRA STRUCTURILOR INALTE/FLEXIBILE .......................................................................... - 69 - 4.1. Actiunea vantului .................................................................................................... - 69 - 4.2. Coduri pentru proiectarea la vant a constructiilor inalte/flexibile .......................... - 82 - 4.3. Actiunea seismica pentru proiectare ....................................................................... - 92 - 4.4. Studiu de caz. Actiunea dinamica a vantului si/sau cutremurului, aplicate pilonilor de iluminat din incinta Aeroportului International Iasi ............................................................ - 94 - 5.RASPUNSUL DINAMIC LA VANT SI/SAU CUTREMUR AL STRUCTURILOR INALTE/FLEXIBILE ....................................................................................................... - 101 - 5.1. Raspunsul dinamic si aerodinamic la actiunea vantului ....................................... - 101 - 5.2. Raspunsul structurilor pe directia de actiune a vantului. Metoda factorului generalizat de raspuns la rafala (3D GRF) si a factorului generalizat de efect la rafala (3D GEF) .... - 110 - 5.3. Raspunsul structurilor pe directie transversala actiunii vantului. Fenomenele de desprindere a vartejurilor si de galopare ........................................................................... - 118 - 5.4. Raspunsul la actiunea seismica ............................................................................. - 133 - 6.STUDIU DE CAZ: RASPUNSUL DINAMIC LA ACTIUNI DIN VANT SI CUTREMUR AL PILONILOR DE ILUMINAT DIN INCINTA AEROPORTULUI IASI .................. - 137 -

Upload: others

Post on 02-Feb-2021

9 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    1

    CUPRINS

    INTRODUCERE .................................................................................................................. - 3 -

    1.ELEMENTE GENERALE................................................................................................. - 5 -

    1.1. Ingineria vantului la inceput de secol XX................................................................. - 5 -

    1.2. Ingineria seismica in secolul XX. Hazardul seismic din sursa Vrancea ................... - 9 -

    1.3. Studii recente cu privire la comportarea structurilor inalte si flexibile la actiunidinamice, in special la actiunea vantului............................................................................. - 13 -

    2.STRUCTURI TIP CONSOLA VERTICALA CU SECTIUNE POLIGONALA SAUCIRCULARA – TIP PILONI DE ILUMINAT SAU CU ANTENE TELECOM.............. - 24 -

    2.1. Domenii de utilizare, importanta, productie ........................................................... - 24 -

    2.2. Proiectarea pilonilor metalici de iluminat si Studiu de caz in incinta AeroportuluiInternational Iasi.................................................................................................................. - 30 -

    3.ANALIZA DATELOR METEOROLOGICE PRIVIND VITEZA VANTULUI LAAEROPORTUL IASI ......................................................................................................... - 38 -

    3.1. Baze de date meteorologice .................................................................................... - 38 -

    3.2. Analiza statistica a vitezei vantului si teoria statistica a valorilor extreme............. - 40 -

    3.3. Studiu de caz. Analiza valorilor vitezei vantului, inregistrate in cadrul StatieiInternationale Meteo – Aeroport Iasi (1976 – 2015) .......................................................... - 47 -

    4.EVALUAREA ACTIUNILOR DINAMICE DIN VANT SI/SAU CUTREMUR ASUPRASTRUCTURILOR INALTE/FLEXIBILE.......................................................................... - 69 -

    4.1. Actiunea vantului .................................................................................................... - 69 -

    4.2. Coduri pentru proiectarea la vant a constructiilor inalte/flexibile .......................... - 82 -

    4.3. Actiunea seismica pentru proiectare ....................................................................... - 92 -

    4.4. Studiu de caz. Actiunea dinamica a vantului si/sau cutremurului, aplicate pilonilor deiluminat din incinta Aeroportului International Iasi............................................................ - 94 -

    5.RASPUNSUL DINAMIC LA VANT SI/SAU CUTREMUR AL STRUCTURILORINALTE/FLEXIBILE ....................................................................................................... - 101 -

    5.1. Raspunsul dinamic si aerodinamic la actiunea vantului ....................................... - 101 -

    5.2. Raspunsul structurilor pe directia de actiune a vantului. Metoda factorului generalizatde raspuns la rafala (3D GRF) si a factorului generalizat de efect la rafala (3D GEF) .... - 110 -

    5.3. Raspunsul structurilor pe directie transversala actiunii vantului. Fenomenele dedesprindere a vartejurilor si de galopare ........................................................................... - 118 -

    5.4. Raspunsul la actiunea seismica ............................................................................. - 133 -

    6.STUDIU DE CAZ: RASPUNSUL DINAMIC LA ACTIUNI DIN VANT SI CUTREMURAL PILONILOR DE ILUMINAT DIN INCINTA AEROPORTULUI IASI .................. - 137 -

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    2

    6.1. Raspunsul structurii pe directia de actiune a vantului. Aplicarea codurilor deproiectare si a metodelor 3D GRF si 3D GEF.................................................................. - 137 -

    6.2. Raspunsul structurii pe directie transversala actiunii vantului ............................. - 146 -

    6.3. Raspunsul pilonului sub actiunea seismica........................................................... - 151 -

    6.4. Rezultate ............................................................................................................... - 151 -

    Concluzii........................................................................................................................... - 153 -

    Contributii personale ........................................................................................................ - 157 -

    Directii viitoare de cercetare............................................................................................. - 158 -

    Referinte ........................................................................................................................... - 159 -

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    3

    INTRODUCERE

    Lucrarea de fata este axata in principal pe doua directii complementare de cercetare,analiza statistica a bazelor de date privind viteza inregistrata a vantului si raspunsulstructurilor inalte si flexibile sub actiuni dinamice cum sunt cele provenite din vant sicutremur.

    In cadrul tezei sunt prezentate principalele componente teoretice ce stau in spatelemodelarii fenomenelor legate de actiunile dinamice naturale (vantul sinoptic, furtuni, sauseism), pornind de la perioada de inceput si pana in prezent, relevante in cazul structurilor tipconsola, inalte, flexibile si cu mase reduse, precum si aspecte relevante din cadrul procesuluide proiectare, prezentari comparative ale unor coduri nationale si internationale de proiectaresi alte aspecte legate de procesele de productie si punere in opera a pilonilor metalici deiluminat.

    In continuarea partii teoretice, in lucrare este prezentat un studiu de caz cu privire laactivitatea de cercetare, proiectare si executie a unui pilon metalic de iluminat aeroportuar cuinaltime de 30m, parte a unui grup de piloni iluminat platforme din cadrul AeroportuluiInternational Iasi, lucrare finalizata la inceputul anului 2015, parte a proiectului „Dezvoltareasi modernizarea Aeroportului International Iasi” la care autorul a luat parte in calitate deinginer sef proiectant, specialitatea structuri. In cadrul unui schimb de experienta, in perioadarealizarii proiectului mentionat, autorul a efectuat o vizita tehnica la o uzina de productie apilonilor metalici din Polonia, apartinand uneia din marile companii multinationale de profildin lume.

    In privinta analizei statistice a bazelor de date privind viteza inregistrata a vantului, incadrul tezei au fost utilizate inregistrari ale vitezei vantului, de la Statia meteo internationalaAeroport Iasi, aflata in imediata apropiere a grupei de piloni metalici ce fac obiectul studiuluide caz susmentionat. In acest sens, autorul a achizitionat in anul 2016 doua baze de dateprivind viteza vantului, prima de la Administratia Nationala de Meteorologie, cuprinzanddate zilnice din perioada 1961-2015 (55ani) si un al doilea set complex de date, extras dinbaza de date a NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) dinperioada 1976-2015 (40ani), continand inregistrari orare cu interval de mediere de 10minute.

    Dupa verificarea intregului set disponibil de date 1961-2015, in vederea indeplinirii cerintelorprivind corectitudinea datelor si reprezentativitatea acestora, activitatea de cercetare a fostcontinuata pe datele orare din intervalul 1975 – 2015 (40 de ani). In baza acestora, s-a realizatanaliza preliminara a corectitudinii bazei de date, incluzand eliminarea erorilor, informatiistatistice aferente populatiei de date, analiza directionala, vantul la rafala, izolarea si analizavarfurilor de viteza maxima inregistrate, etc. Ulterior a fost efectuata analiza statistica apopulatiei bazei de date pe baza modelului Weibull, obtinandu-se functia si densitatea derepartitie a modelului cu doi parametri c (de scalare) si k (de forma), comparandu-serezultatele cu cele aferente unui studiu mai vechi din acelasi amplasament (E. Erhan), aferent

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    4

    unei baze de date din perioada 1951-1975, dar si cu unele similare, cunoscute la nivelinternational. Parametrii obtinuti pentru baza de date din intervalul de 40 de ani, c=3.445 sik=1.834, pot fi utilizati in cadrul unor verificari la oboseala ale bazelor pilonilor. Incontinuare, s-a efectuat o analiza preliminara a valorilor extreme ale vitezei vantului, valoripeste 20m/s, respectiv 25m/s, comparandu-se distributiile Gumbel maxim, General extremevalues, Frechet si Lognormala.

    In privinta raspunsului structurilor inalte si flexibile sub actiuni dinamice cum sunt celeprovenite din vant si cutremur, in cadrul tezei, s-a evaluat in mod comparativ actiuneavantului si efectul acestuia asupra pilonului obiect al studiului de caz, in conformitate cucoduri de proiectare precum cele european, romanesc si italian. In cadrul studiului s-a evaluatpresiunea de varf qp(z), forta static echivalenta provenita din vant, pe directia acestuia FW(z),incluzand coeficientul de raspuns dinamic cd si s-a continuat cu evaluarea fortei ceactioneaza perpendicular pe directia vantului, FL(z) generata de actiunea de desprindere avartejurilor aferenta primelor doua moduri de vibratie si contributia acestora. Au fostidentificate vitezele critice vcrit privind desprinderea vartejurilor si de aparitie a galoparii,precum si posibilitatea interactiunii intre aceste fenomene. S-a efectuat calculul numarului decicluri de incarcare datorat desprinderii vartejurilor si s-a efectuat verificarea privindposibilitatea apartiei ovalizarii sectionale. In paralel, a fost evaluata si aplicata actiuneaseismica conform codului romanesc, prin intermediul metodei fortelor seismice staticeechivalente si a metodei de calcul modal cu spectre de raspuns. Au fost generate spectreleorizontale si verticale de acceleratii, de viteze si de deplasari specifice amplasamentului sistructurii in cauza. In urma unui calcul automat cu programul SAP2000, s-a facut o analizacomparativa a datelor obtinute, incluzand eforturile sectionale la baza.

    Studiul de caz a continuat cu prezentarea si aplicarea pe directia de actiune a vantului ametodelor 3D Gust Response Factor si 3D Gust Effect Factor, generalizari ale conceptului debaza din ingineria vantului descris de Davenport in 1961, analizandu-se comparativrezultatele cu cele obtinute prin aplicarea codurilor si evidentiind avantajele celor douametode. Aceste metode avansate de calcul, ca si prelucrarea bazelor de date privind vitezavantului, au fost aprofundate de catre autor in cadrul unui stagiu de pregatire efectuat in anul2016 la Universitatea de Studii din Genova, Italia.

    Obiectivul lucrarii este abordarea unei parti cat mai cuprinzatoare din intreagaproblematica legata de structurile tip consola flexibila verticala cum sunt pilonii inalti deiluminat sau telecom, incepand de la analiza bazei de date privind viteza vantului inamplasamentul acestora, continuand cu aplicarea comparativa a normelor tehnice privindactiunea vantului si seismului in cadrul etapei de proiectare, cu analiza desprinderiivartejurilor, a fenomenelor aeroelastice si a altor probleme conexe acestora, cum ar fiverificarea la oboseala si finalizand cu executia fundatiilor, montarea la pozitie a pilonilor,sau urmarirea comportarii in timp.

    Lucrarea se doreste a fi o punte intre activitatea de cercetare si cele de proiectare,productie efectiva si executie a lucrarilor de constructii.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    5

    1. ELEMENTE GENERALE

    1.1.Ingineria vantului la inceput de secol XX

    „Ingineria Vantului este Stiinta ce trateaza in mod rational interactiunile dintre Vant inStratul Limita Atmosferic si Om si lucrarile sale de pe suprafata Pamantului” (Prof. Jack. M.Cermak, 1975). Ingineria Vantului este o stiinta relativ recenta, cu o dezvoltare exponentialadupa anii 1950 ai secolului trecut. Printre parintii Ingineriei moderne a Vantului, pot fiamintiti Jack M. Cermak – fondator al Laboratorului de Dinamica Fluidelor din cadrulColorado State University, USA, in 1959, unde a realizat un nou tip de tunel de vant diferit decele folosite in industria aeronautica (NY Times 05.09.2012), Alan G. Davenport – fondatoral tunelului de vant cu strat limita atmosferic de la Western Ontario University, Canada siautor al conceptelor de baza cu privire la actiunea vantului si efectele sale asupra structurilor,1961, sau C. Scruton – organizator al primei conferinte internationale cu privire la efecteleactiunii vantului asupra structurilor, UK, 1963 (IAWE-International Association of WindEngineering).

    In a doua parte a secolului XIX, consecinta a revolutiei industriale, a aparut si necesitateaconstruirii unor structuri optimizate si din ce in ce mai complexe. In acest context, au aparutsi preocuparile cu privire la evaluarea cat mai corecta a actiunii vantului asupra structurilor,printre care si podurile cu structura metalica, mai ales in urma unor colapsuri structurale careau pus multe semne de intrebare specialistilor vremii. Probabil cel mai potrivit exemplu ilreprezinta colapsul partial al Podului de cale ferata peste estuarul Tay, de langa orasul scotianDundee, produs in urma furtunii din 28 decembrie 1879.

    In conformitate cu prevederile Raportului de Expertiza realizat in iunie 1880 (fig.1.1), pelanga unele neconformitati din timpul executiei, calitatea mai slaba a unor elementestructurale, sau slaba mentenanta, s-a concluzionat si ca posibila cauza a colapsului partial alpodului, subevaluarea actiunii vantului coroborat cu existenta incarcarii pe pod din convoiulde tren, precum si lipsa normelor tehnice specifice, cauze ce au condus la alegerea de catreproiectant a unor solutii tehnice nepotrivite.

    In acest sens, in cadrul raportului, W.H.Barlow, Presedinte al Institution of Civil Engineers,recomanda necesitatea aparitiei unor norme tehnice cu privire la evaluarea actiunii vantuluiasupra constructiilor de cai ferate, poate cele mai importante ale vremii. Acesta a fost unmoment important in istoria codurilor de proiectare din ingineria structurala si mai alespentru evaluarea actiunii vantului si efectelor sale asupra structurilor, preocupari similareexistand si in Statele Unite ale Americii (unde pe langa poduri cu deschideri mari, mai ales inorase precum Chicago sau New York, incepea constructia zgarie norilor), dar si in Franta.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    6

    Fig. 1.1 Extrase din Raportul de Expertiza realizat dupa colapsul partial al Tay Bridge din 1879. Dupa acesteveniment, in UK au fost introduse norme tehnice structurale cu privire la evaluarea actiunii vantului.

    Dupa cu aparitia automobilelor si a primelor aparate de zbor mai grele decat aerul, la1900, studierea curgerii aerului si a actiunii vantului si efectelor acestuia asupra unor corpuride forme diferite aflate in calea sa, cunoaste o evolutie spectaculoasa. Dupa executiaconstructiilor care l-au consacrat, Gustave Eiffel a fost si unul dintre pionierii cercetarii indomeniul meteorologiei ai al aerodinamicii, fiind preocupat spre sfarsitul carierei de efectulactiunii vantului asupra corpurilor si structurilor de forme diferite. Dupa finalizarea TurnuluiEiffel in 1889, cercetatorii vremii (ex. M. Agnot 1890-1895, F Akerblom si altii) demareaza oserie de masuratori experimentale in vederea observarii fenomenelor aflate in legatura cutubulenta aerului in cadrul stratului limita atmosferic, incluzand masuratori privind

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    7

    temperatura, variatia si influenta acesteia asupra aerului, la diferite inaltimi si in diferiteperioade ale zilei si ale anului.

    a. b.Fig. 1.2 a.Recherches experimentales sur la resistance de l’air executees a la Tour Eiffel, Gustave Eiffel, 1907;

    b. La Resistance de l’air, Gustave Eiffel, Paris, 1910.

    In perioada 1903-1906, G. Eiffel monteaza pe planseul etajului 2 (cota 115.73m) alturnului cu acelasi nume, dispozitive speciale pentru evaluarea cat mai corecta a rezistenteiaerului in cazul unor corpuri de diferite forme, aflate la diferite viteze (inclusiv viteze de 20 –40 m/s) si temperaturi, observand diferentele in lucrarea „Recherches experimentales sur laresistance de l’air executees a la Tour Eiffel, 1907”. In lucrarea „La Resistance de l’air,1910”, Eiffel prezinta recapitulativ experimente si formule utilizate, legate de evaluarearezistentei aerului si variatia diferitilor parametri.

    Pornind de la legile Newtoniene si conform observatiilor experimentale, Eiffel prezintaformulele utilizate in inginerie, unde R – rezistenta aerului, δ – densitatea aerului, V, S –vitza si suprafata corpului, perpendiculara pe directia de miscare, g – acceleratiagravitationala, z – coeficient numeric, dependent de forma si marimea corpului in miscare:

    R = z * δ/g *S*V²; R = K*S*V² (1.1)

    p1 = p+Δp1 = p + z1 * δ/g *S*V² (1.2)

    p2 = p–Δp2 = p – z2 * δ/g *S*V² (1.3)

    p1 – p2 = Δp1 + Δp2 = (z1+z2) * δ/g *S*V² = z * δ/g *S*V² ; (z = z1+z2) (1.4)

    Considerand presiunile p1 si p2 pe fetele anterioara repsectiv posterioara ale corpului (ex. oplaca), se obtine formula fortei ce actioneaza asupra obiectului, producand deplasarea.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    8

    In aceeasi perioada, G.Eiffel instaleaza la Champ de Mars, langa Turnul Eiffel, un laboratoraerodinamic in care simula viteze ale vantului intre 5 si 20m/s (fig.1.3.b).

    a.

    b.

    Fig. 1.3 a. Miscarea aerului in jurul unei placi dispuse perpendicular sau inclinat pe directia acestuia; b.Laboratorul aerodinamic al lui G. Eiffel, 20.0m x 12.0m-9.0m – „La Resistance de l’air”, G.Eiffel, Paris, 1910

    In 1919, in noua lucrare „Nouvelles recherches sur la Resistance de l’air et l’aviation”G.Eiffel prezenta distributia presiunii si suctiunii ce actioneaza asupra hangarelor de formediferite ale unor dirijabile, la o viteza de 40m/s.

    In acelasi timp, in 1916 la Potsdam, in Germania, Gustav Hellman in lucrarea „Uber dieBewegung der Luft in den untersten Schichten der Atmosphaere” punea bazele definirii LegiiPuterii pentru descrierea profilului vitezei vantului in cadrul Stratului Limita Atmosferic(SLA). Ulterior, pentru descrierea profilului vitezei in partea inferioara a SLA, s-a consacratutilizarea Legii Logaritmice definita de ecuatia Von Karman-Prandtl. In „Wind effects onstructures”,1985, Simiu si Scanlan prezinta aceste legi, dupa cum urmeaza:

    Legea generala a Puterii

    U(zg1) = U(zg2)*(zg1/zg2)α (1.5)

    unde zg1 si zg2 sunt inaltimi masurate deasupra cotei solului, iar α exponent determinatexperimental, dependent de rugozitatea terenului, denumit si exponent Hellman, avandvaloarea 1/7 in anumite conditii, atmosfera neutra, teren deschis (Von Karman, 1921).Aceasta este utilizata in unele coduri precum ASCE7-10 sau GB50009-2012, dar si in cadrul

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    9

    parcurilor eoliene, la evaluarea energiei eoliene aferenta turbinelor (Peterson si Hennessey,1978).

    Legea Logaritmica

    U(z) = 1/k * u* * ln(z/z0) (1.6)

    Ecuatia Von Karman-Prandtl, unde U(z) este viteza medie a vantului, z0 lungimea derugozitate, z inaltimea masurata deasupra cotei solului, k constanta Von Karman, avandvaloarea general acceptata 0.4-0.41, iar viteza de frecare:

    u* = (τ0 / ρ)1/2. (1.7)

    Aceasta lege este aplicata in Eurocod (EN1991-1-4), dar si de alte coduri nationale deproiectare.

    1.2.Ingineria seismica in secolul XX. Hazardul seismic din sursaVrancea

    Evolutia ingineriei seismice la mijlocul secolului XX

    Aparitia notiunii de inginerie seismica, componenta de prim rang a dinamicii structurale,avand scopul de analizare si permanenta imbunatatire a comportarii structurilor sub actiuneacutremurelor, este strans legata de problema cutremurelor Californiene aferente celebrei faliiSan Andreas. De altfel, in California s-au nascut conceptele de „spectru seismic” (M.A Biot,1932), „spectru de raspuns” (H.Benioff 1934, G.W.Housner 1941), sau de „inginerieseismica” (inregistrarea oficiala a EERI, in 4 nov.1948). La El Centro, California, in data de18 mai 1940, a fost inregistrata si prima miscare seismica majora de catre un seismograflocalizat in zona epicentrala.

    a. b.

    Fig. 1.4 a.Comparatie intre spectrul standard Biot si spectrele medii Housner (Trifunac, 2006); b.Inregistrareacomponentei nord-sud a acceleratiei orizontale a terenului inreg. la Imperial Valley, El Centro, California, in

    data de 18 mai 1940; viteza si deplasarea deduse din valorile acceleratiei (Chopra, 2007) .

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    10

    Pe baza datelor obtinute in urma a patru cutremure majore, El Centro, in 1934 si 1940,Olympia, in 1949 si Tehachapi, in 1952, G.W.Housner dezvolta in 1959 primul spectrumediu de proiectare calibrat pentru PGA = 0.20g (pentru alte seisme,SA=(a/0.20g)*SA,HOUSNER). In acelasi timp, in 1959, Newmark dezvolta o serie de metodenumerice iterative de evaluare a raspunsului dinamic, bazate in principal pe ecuatiile cuvariabile depalasari, viteze, acceleratii si intervale de timp:

    ůi+1 = ůi + [(1-y)*Δt]*üi + (y*Δt)*üi+1 (1.8)

    ui+1 = ui + (Δt)*ůi + [(0.5 – β)*(Δt)2]*üi + [β*(Δt)2]*üi+1 (1.9)

    unde parametrii β si y definesc variatia acceleratiei in timpul unei iteratii si determinastabilitatea si corectitudinea metodei; in mod curent 1/6≤β≤1/4, iar y=0.5.

    a. b.

    Fig. 1.5 a. Spectrul seismic de proiectare al lui Housner, 1959.b. UBC - 1927 din SUA. Prima norma tehnica ce a continut reguli antiseismice de proiectare.

    In 1969 Newmark si Hall au conceput un nou spectru de proiectare bazat pe dateprovenind din inregistrarea a 28 de cutremure, iar ulterior au aparut metoda spectruluiinelastic (Newmark, Hall, 1982) si metoda spectrului de capacitate (Freeman 1975, ATC-40/1996).

    Aparitia primelor prescriptii tehnice cu privire la reguli antiseismice s-a datorat totcutremurelor din SUA (California), cel din San Francisco din 18 aprilie 1906 si mai ales acelui din Santa Barbara din 29 iunie 1925. Astfel, in 1927 a fost publicata Anexa Informativaa Uniform Building Code (fig.1.5, aplicat pe coasta de vest a SUA), cuprinzand primelereguli antiseismice. Conform acestei norme, in functie de capacitatea portanta a terenului defundare, se recomanda luarea in calcul la nivelul fiecarui planseu a unei forte orizontale de

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    11

    nivel intre 7.5% si 10% din totalul incarcarilor permanente si utile aferente nivelului respectiv(sectiunea 2311 UBC1927). Preocupari in aceeasi directie existau insa si in alte tari, precumItalia (dupa seismul din Messina, 1908) sau Japonia (dupa seismele din Mino-Awari, 1893 siKanto, 1923).

    Hazard seismic si specificul sursei seismice Vrancea

    Tinandu-se cont de necesitatea cunoasterii specificitatii sursei seismice in evaluareaactiunii seismice asupra structurilor, in mod uzual, se acorda o atentie deosebita analizeisursei si hazardului seismic specific amplasamentului studiat. In mod general, hazardulseismic este descris prin intermediul unor parametri seismici, cum ar fi valori de varf aledeplasarii, vitezei si mai ales ale acceleratiei orizontale si verticale ale terenului, la acestevalori putand fi asociate intervale medii de recurenta corespunzatoare unor anumite durate deexpunere si probabilitati de depasire. Studiul de hazard seismic se realizeaza in mod rigurosutilizandu-se relatii de atenuare, expresii empirice ce descriu variatia miscarii terenului cumagnitudinea si distanta dintre amplasament si focar, pe masura reducerii energiei undelor incalea acestora, prin radiatie, histereza.

    Metodologiile de descriere a hazardului seismic sunt PSHA - analiza probabilistica ahazardului seismic si DSHA - analiza determinista a hazardului seismic.

    Hazardul seismic in Romania este datorat contributiei a doi factori (Marza, 1995): contributiamajora a zonei seismice subcrustale Vrancea si alte contributii provenind de la zone seismicede suprafata de pe intreg teritoriul tarii.

    Zona seismica Vrancea, situata la curbura Carpatilor este descrisa de o suprafata relativredusa de 40x80 km2 si de o adancime a focarelor intre 60 si 170 km, avand o directiepreponderenta de propagare a undelor pe directia NE-SV si poate fi capabila sa producadistrugeri in peste doua treimi din teritoriul Romaniei si in special Mun. Bucuresti.Cutremurul vrancean cu cele mai distrugatoare efecte de pana acum asupra constructiilor afost cel din 4 martie 1977, avand o magnitudine Gutenberg-Richter de 7.2 si o adancime afocarului de 109 km. Zonele seismice de suprafata sunt in principal Fagaras - Campulung,Banat, Crisana, Maramures si Dobrogea. La acestea se adauga zone epicentrale cu importantalocala in regiunea Jibou si Tarnavelor in Transilvania, nordul si vestul Olteniei, nordulMoldovei si Campia Romana. Analizarea din punct de vedere stiintific a seismelor necesita ocuantificare cu o anumita precizie a acestora, astfel aparand conceptele de intensitate si dupaaparitia seismometrelor, a celui de magnitudine.

    Pentru cutremurele puternice (Mw≥ 6.3), relatia dintre magnitudine si adancimea focarului sepoate obtine cu relatia pentru valori medii, propusa de Lungu et al in 1997:

    ln h = -0.866 + 2.846 lnMw (1.10)

    In cadrul procedurii probabilistice, in analiza cutremurelor vrancene subcrustale, este deamintit procedura Cornell-McGuire pentru evaluarea hazardului seismic (Lungu et al, 2003),putand fi utilizat urmatorul model de atenuare:

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    12

    ln PGA = b0 + b1Mw + b2lnR + b3R + b4h + ε (1.11)

    unde PGA este valoarea de varf a acceleratiei terenului (orizontal sau vertical); Mw -magnitudinea moment a cutremurului; h - adancimea focarului; R =√(h2+Δ2) - distantahipocentrala a amplasamentului, cu Δ distanta epicentrala; b0, b1, b2, b3, b4 - coeficientideterminati prin regresie neliniara multiparametrica ce depind de date; ε - variabila aleatoare,avand media zero si abaterea standard σe = σ lnPGA.

    Pentru sectorul Moldova, zona in care a fost efectuat studiul de caz din prezenta lucrare,Lungu si Demetriu au determinat urmatorii coeficienti: b0=0.144, b1=1.102, b2= -1.00,b3=0.0008, b4= -0.003 si σlnPGA=0.588.

    Tab.1.1 Catalogul seismelor din Vrancea pentru secolul XX. Extras cuprinzand seismele puternice, demagnitudine Mw>6.3.

    *Estim. initiala Radu 133km. 1)Mw=M+0.3. 2)Mw dupa catalogul seismelor INFP, (Lungu si Dubina, 2003).

    In acelasi timp, Elnashai si Lungu, in 1995, propun pentru determinarea intervalului mediu derecurenta [T(≥Mw)=1/n(≥Mw)] al unui cutremur subcrustal vrancean de magnitudine maimare sau egala cu Mw, relatia Hwang si Huo customizata prin adoptarea: Mw,max -magnitudinea maxim credibila a sursei = 8.1; Mw0 - magnitudinea minima considerata inanaliza statistica = 6.3; α = a ln10; β = b ln10, unde a=3.758 si b=0.733 sunt coeficienti ce secalibreaza din date. Astfel, relatia generala devine:

    (1.12)

    Problematica proiectarii antiseismice in Romania a aparut cu precadere dupa cutremuruldin noiembrie 1940, un scurt istoric al normelor de proiectare antiseismica a structurilor seregasindu-se sintetizat in tabelul nr.1.2.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    13

    Tab.1.2 Clasificarea normelor tehnice de proiectare antiseismica in Romania, conf. metodologiei HAZUS.P100-1/2013 Cod aflat in vigoare, cod avansat, cu prevederi apropiate de Eurocodul 8.

    Tab.1.3 Inregistrari ale miscarilor seismice importante din 1986 si 1990, din Municipiul Iasi, zona in care afost efectuat studiul de caz din prezenta lucrare, (Lungu si Dubina, 2003).

    1.3.Studii recente cu privire la comportarea structurilor inalte siflexibile la actiuni dinamice, in special la actiunea vantului

    In cadrul analizei raspunsului structural al constructiilor inalte, flexibile, cu mase reduseactiunea vantului se impune in fata celei provenite din cutremur. Acest lucru se datoreazaincarcarilor semnificativ mai reduse, raportate la masa totala a constructiei, provenite dincutremurul de proiectare. Pe de alta parte fenomenele complexe asociate actiunii vantuluidezvoltate pe directia de actiune si perpendicular pe aceasta, au facut obiectul multor studiiatat teoretice cat si al unor incercari in tunele de vant cu limita atmosferica (Boundary LimitWind Tunnel –BLWT). In continuare, sunt prezentate trei studii de caz, a) testarea in tunelulde vant si analiza „Coloanei Infinitului” a lui Constantin Brancusi, b) testarea in tunelul devant a unui pilon de telecomunicatii cu inaltime de 30m, similar pilonului ce face obiectulstudiul de caz din prezenta lucrare, dar si c) studiu de caz privind un pilon zabrelit cu inaltime30m calculat la vant si seism in Asia (Sri Lanka), cu concluziile aferente.

    a) Un exemplu relevant, complex si deosebit de important in privinta testarii comportariistructurilor verticale tip consola, zvelte/flexibile, sub actiunea vantului, a fost prilejuit derestaurarea si consolidarea „Coloanei Infinitului” (sau Coloana fara sfarsit), opera de valoareinestimabila, realizata de renumitul sculptor Constantin Brancusi si inaugurata la 27octombrie 1938 la Targu Jiu.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    14

    Opera este compusa din 15 module complete, avand 1 fiecare 80cm lungime si intre 45 si90cm latime si doua jumatati de element (la partea inferioara si cea superioara), avand oinaltime totala de 29.26m. Structura de rezistenta este formata dintr-un pilon vertical interiorcu sectiune compusa patrata cu dimensiunile de 460x460mm la baza si 380x380mm la varf,formata din patru corniere metalice patrate (150-18mm la baza si 130-16 la varf) solidarizatecu placi si platbande de diferite dimensiuni, variabile de la baza la varf.

    a. bFig. 1.6 a. Autoportret al lui Brancusi in atelier, 1933-1934 (Centre Pompidou, Paris);b. Coloana Infinitului, opera sculptorului (J.M.H.Hernandez, www.jmhdezhdez.com ).

    La inceputul anului 2000, la sediul Ministerului Culturii, in prezenta ministrului IonCaramitru si a secretarului de stat Maria Berza, Comisia Nationala a Monumentelor Istorice avalidat rezultatele analizei sigurantei la actiunea dinamica a vantului, conform codurilor deproiectare din Romania, SUA si UE, a Coloanei Infinitului, blocand astfel intentia deinlocuire a structurii metalice interioare cu una complet noua din metal inoxidabil. Ulterior,stabilitatea dinamica la vant a Coloanei a fost analizata si validata in tunelul de vantCRIACIV, de la Prato (Florenta), de catre profesorul G. Solari, de la Universitatea dinGenova. Profesorul Solari a continuat studiile asupra Coloanei Infinitului si prezentatrezultatele acestora in numeroase reviste de specialitate, inclusiv in anul 2013.

    Masuratorile finale privind caracteristicile dinamice ale structurii metalice cu si faramodulele, au fost efectuate de un colectiv din cadrul UTCB, cu concursul expertului JICA inRomania, dr. Taiki Saito si cu sprijinul sefului de santier (din partea firmei Turbomecanicadin Bucuresti) al reabilitarii Coloanei Infinitului.

    Lucrarile de consolidare la baza Coloanei pe circa 1/10 din inaltimea acesteia, cupastrarea structurii metalice de rezistenta interioare pe inaltime, au fost proiectate de dr.ing.Helmut Kober.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    15

    a. b.Fig. 1.7 Testarea unor modele ale „Coloanei Infinitului” in tuneluri de vant cu strat limita atmosferic, a) cuelemente decorative si b) doar structura de rezistenta (partea superioara), fara elemente decorative, (Solari,

    2013).

    In cadrul setului de teste realizate de prof. G. Solari, au fost obtinuti coeficientiiaerodinamici de forta pe directia actiunii vantului cD , respectiv lateral cL, in varianta cuelemente decorative sau doar structura interioara, prezentati in figurile 1.8 si 1.9.

    Fig. 1.8 Obtinerea coeficientilor de forta cD si cL pentru coloana cu elemente decorative.

    Fig. 1.9 Obtinerea coeficientilor de forta cD si cL pentru coloana fara elemente decorative, doar structurade rezistenta. (1.8,1.9, Solari, 2013)

    Ulterior testelor, au fost realizate determinari si verificari prin calcul cu privire la aparitiapotentiala a instabilitatii aeroelastice si raspunsul dinamic.

    Intrucat aparitia fenomenelor aeroelastice cum ar fi galoparea, care in esenta reprezinta oanulare a amortizarii, este legata de structuri zvelte, usoare, flexibile, iar Coloana Infinituluiare o astfel de structura, o verificare legata de aceste fenomene a reprezentat o prioritate.Verificarile efectuate (pentru coloana cu elementele decorative atasate), aplicand actiuneavantului conform codului romanesc si conditiilor din amplasament, au relevat viteze criticeale galoparii intre 95m/s si 217m/s, extrem de putin plauzibile. In conditiile demontarii

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    16

    elementelor decorative insa, structura coloanei prezinta viteze critice ale galoparii de circa20m/s, ceea ce ar reprezenta un real pericol.

    In privinta raspunsului dinamic, au fost evaluate componentele actiunii vantului, medie,fluctuanta si cea produsa de vartejuri, cu actiune preponderent perpendiculara pe directiavantului. Metoda utilizata in evaluarea efectului componentelor actiunii vantului asuprastructurii a fost metoda factorului generalizat de efect la rafala 3D GEF (Piccardo si Solari,2002, prezentata in cadrul cap.5). In acest fel au fost determinate, pentru diferite unghiuri deatac, deplasarile la varf x(h), y(h) si momentele incovoietoare la baza Mx(0), My(0).

    Conform acestor determinari, s-a observat ca cele pe directia vantului x(h) sunt sensibil maimari decat cele perpendiculare pe aceasta y(h), exceptand zona de viteze pana in 5m/s cand semanifesta fenomene aeroelastice tip vartejuri.

    Urmare a calculului privind vitezele critice asociate aparitiei vartejurilor, s-a remarcat ocvasirezonanta asociata primului mod de vibratie la o viteza de circa 3m/s, respectiv 14.5m/spentru al doilea mod de vibratie (acesta fara a produce efecte notabile). Intrucat numarul luiScruton are valoarea de 119, acest lucru limiteaza raspunsul structural.

    In acelasi timp, urmare a verificarilor la Starea Limita Ultima, s-a constatat ca sectiunilecoloanei nu prezinta pericol de cedare, verificand conditiile cu factori de siguranta mari.

    O alta verificare importanta asociata structurilor zvelte/flexibile de tip consola verticala,slab amortizate, este cea la oboseala indusa de ciclurile de incarcare-descarcare datoratefenomenelor aeroelastice. Acest fenomen poate duce la cedari premature in general in zonabazei, ale structurilor din categoria mentionata anterior.

    Pentru verificarea Coloanei Infinitului a fost propusa formula:

    Tf = 1 / ‾D(1) (1.13)

    unde Tf durata de viata la oboseala, exprimata in ani, iar ‾D(1) este valoarea medie anuala aavariilor produse de oboseala.

    Formula se bazeaza pe doua ipoteze, a) distributia de tip Weibull Hibrida pentru functia dedistributie a vitezei medii de referinta a vantului si b) curba de rezistenta la oboseala dintretensiuni si numarul de cicluri-anduranta, prezenta in SR EN 1993-1-9-2006 (Eurocod 3),Proiectarea structurilor de otel, oboseala.

    Verificarile cu privire la Coloana Infinitului au fost conduse pentru 3 parametri de formak asociati modelului Weibull, k=1.4, 1.8 si 2.2. In primele doua cazuri Tf a avut valori de422ani, respectiv 111ani la baza structurii, iar pentru k=2.2, Tf a rezultat de 25ani valoareconsiderata nesatisfacatoare si oarecum neasteptata dat fiind faptul ca dupa 60 de ani deexistenta, structura in cauza nu a prezentat avarii semnificative cauzate de oboseala.Fenomenul necesita o studiere aprofundata, mai ales in contextul aplicarii la restaurare a unuistrat de silicon intre elementele decorative, fapt ce a redus din amortizare.

    In privinta masuratorilor finale privind caracteristicile dinamice, in perioada noiembrie -decembrie 2000, s-a efectuat o serie de masuratori ce au aplicat metoda vibratiilor ambientale

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    17

    de amplitudine joasa (micro-tremor measurement), in urma acestora determinandu-seperioadele de vibratie si amortizarea, atat pentru coloana ca atare, cat si numai pentrustructura de rezistenta, fara elementele decorative. Astfel, s-au obtinut: fara elementedecorative T1=1.205sec, T2=0.268sec, ξ1=0.0082 si ξ2=0.018; cu elemente decorativeT1=1.949sec, ξ1=0.0159-0.0193. Analiza acestor valori a aratat ca elementele decorative nuau avut numai rol pur decorativ, ci au condus si la o crestere a amortizarii. In acelasi timptrebuie mentionat ca dupa restaurarea elementelor decorative, spre deosebire de starea intitala(cand elementele rezemau liber) acestea au fost legate printr-un strat siliconic elastic care asigilat coloana, dar cel mai probabil a si redus usor amortizarea (Solari, 2013).

    In privinta evaluarii structurale a Coloanei si a proiectarii lucrarilor de consolidare aacesteia, au fost colectate de la INMH date privind viteza vantului in zona Targu Jiu, iar maiapoi au fost facute calcule de evaluare a actiunii vantului si a raspunsului dinamic, inconformitate cu codurile nationale si internationale in vigoare la acea data, precum STAS10101/20-90, Eurocod1, partea 2.4/1994, ASCE 7-98. Greutatea calculata a coloanei a fost de305.81 kN, din care structura metalica de rezistenta a avut 149.47 kN, tipul de otel utilizatfiind OL37.

    Analiza modala realizata cu acelasi tip de software ca cel utilizat in cazul studiului de caz dinprezenta lucrare, a relevat o perioada fundamentala a coloanei existente de 1.99 secunde si de1.43 secunde doar pentru structura.

    Viteza caracteristica mediata pe un interval de 10minute considerata, a fost de 26m/s, terencategoria II. In cadrul evaluarii prin calcul, a fost analizata atat baza de date INMH privindviteza vantului in amplasament, cat si prevederile normelor tehnice. Forta static echivalentade proiectare calculata conform EC1, a avut valoarea de 98.54 kN.

    Din datele obtinute cu referire la raspunsul dinamic, putem mentiona valoarile obtinute alefactorului de varf g = 3.58, coeficientului de raspuns dinamic cD = 1.77, cu un coeficient deforta cf = 1.7. Referitor la efcorturile sectionale la baza, momentul incovoietor obtinut a fostde circa 1500 kN*m, forta taietoare de 89 kN, iar forta axiala de 300 kN.

    Aceste verificari prin calcul efectuate de catre specialistii din cadrul UTCB au contribuit laalegerea solutiei optime de interventie asupra monumentului.

    Rezultatele acestor calcule au putut fi comparate de autorul prezentei lucrari cu cele obtinutein cadrul studiului de caz, prezentat in principal, in capitolele 4 si 6.

    b) In cadrul Tunelului de Vant (BLWT) de la Universitatea de Studii din Genova, au fostrealizate o serie de teste statice si aeroelastice pe modele scalate ale unor piloni cu antene decomunicatii, aplicabile in mare masura si pilonilor de iluminat, cu scopul studierii raspunsuluistructural sub actiunea vantului si al aparitiei fenomenelor aeroelastice (C.H. Nguyen, A.Freda si F.Tubino, 2013, 2014). In acest sens, se pot mentiona investigatiile experimentalepentru un pilon metalic cu antene de comunicatii care are caracteristici apropiate de cele alepilonului aeroportuar de iluminat prezentat anterior, concluziile fiind de mare interes pentrutoate structurile similare.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    18

    Pilonul studiat la Genova este metalic, are o inaltime totala de 30m (la fel ca pilonulaeroportuar de iluminat, ce face obiectul studiului de caz din prezenta lucrare) si este formatdin doua parti distincte, una de 24m, pilonul propriuzis (impartit in doua tronsoane, partea 1si partea 2) si bara de sustinere a grupului de antene, cu o inaltime de 6m (partea 3). Corpulde 24m inaltime, cu sectiune circulara, are un diametru la baza de 950mm la baza si 350mmla varf, grosimea peretelui fiind de 5mm. Corpul de sustinere a antenelor, de 6m inaltime, areo sectiune cu un diametru de 193.7mm si 7.1mm grosime, ambele constante. Viteza dereferinta in amplasament este de 25m/s. Pilonul are scara de acces exterioara, cu o greutate de7 daN/ml si un pat exterior de cabluri, cu o greutate de 5 daN/ml.

    Prezentarea activitatii de testare

    Pentru testarea pilonului in tunelul de vant de la Genova, s-au realizat doua modeledistincte pentru primele doua parti ale pilonului. Ambele modele sunt din aluminiu, au olungime de 500mm, diametrul exterior de 80mm, primul model avand scara 1:10, iar al doileascara 1:5. Pentru partea a treia, s-au utilizat rezultate de la un experiment similar anterior,realizat in cadrul tunelului de vant de la Politehnica din Milano (acest tronson prezinta uninteres mai scazut in extrapolarea rezultatelor la pilonul aeroportuar de iluminat).

    In figura 1.10 se observa pilonul propriuzis cu douaparti si a treia parte, corpul de sustinere a antenelor.Se mai observa scara exterioara de acces si patulexterior de cabluri modelat ca un corp atasat deforma dreptunghiulara.

    Scara exterioara de acces a fost modelata caatare, in timp ce patul de cabluri a fost modelat ca uncorp dreptunghiular atasat pilonului, realizat tot dinaluminiu. Modelarea scarii si cablurilor esteconsiderata foarte importanta, avandu-se in vedereca majoritatea testelor si calculelor similareanterioare au avut ca obiect sectiuni circulare, decicu simetrie polara.

    Fig. 1.10 Graficele deplasarilor la varf pe directia x si y,obtinute pentru viteze diferite ale vantului, pentru unghi a) β=0

    grade si b) β=45 grade.Prezentarea generala a modeluluipilonului cu antene de comunicatii. (Cung et al, 2015).

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    19

    Testele efectuate au fost de doua categorii:

    -statice, in vederea determinarii coeficientilor aerodinamici de forta cD pe directiavantului, cL lateral, precum si a numarului lui Strouhal;

    -aeroelastice, in vederea studierii posibilitatii aparitiei fenomenelor de instabilitate denatura aeroelastica, al anularii amortizarii si aparitiei fenomenului de galopare.

    Fig. 1.11 Modele (pentru pilonul propriuzis) pentru testare in tunelul de vant:a) test static; b) test aeroelastic, (Cung et al,2015).

    In vederea stabilirii influentei numarului lui Reynolds, asupra modelelor au fost aplicateviteze variabile in intervalul general 5-25m/s. In vederea studierii efectelor, in timpulsimularii actiunii vantului, modelul a fost rotit in diverse unghiuri γ, cu un increment de 10grade, de la 0 la 350 grade.

    Analiza modala a fost realizata cu ajutorul metodei Rayleigh-Ritz, obtinandu-se frecventelenaturale: n1,2= 0.77 Hz, respectiv n3,4 = 3.63 Hz (fata de cca 0.75 Hz, respectiv 2.88 Hz lapilonul aeroportuar ce face obiectul studiului de caz din prezenta lucrare).

    a. b.Fig. 1.12 a. Tunelul de vant BLWT de la Unversitatea din Genova. Prezentarea modelului supus testarii; pozaarhiva personala realizata in timpul stagiului de pregatire efectuat la Universitatea din Genova, aprilie 2016.

    b.prezentarea modurilor de vibratie 1 si 3 (modurile 2 si 4, similare si ortogonale raportat la 1 si 3).

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    20

    Rezultatele activitatii de testare

    Urmare a testarii statice cu cantare de masurare a reactiunilor, s-au determinat coeficientiiaerodinamici de forta cD pe directia vantului, cL lateral, precum si numarul lui Strouhal St. S-a putut observa ca acesti parametri au variat semnificativ in functie de unghiul de interactiunevant-model, observandu-se insa si o comportare diferita a partilor principale ale pilonului, 1(la baza) si 2 (la varf).

    Numarul lui Reynolds Re (pentru diferite viteze aplicate modelului) nu a influentat inmod relevant coeficientii aerodinamici cD, cL si St, luati individual, insa a influentatsemnificativ (cD + c’L), mai in ales in zona in care (cD + c’L) a avut valoare negativa, ex.interval γ=269 – 272 grade.

    Viteza critica de desprindere a vartejurilor (pentru primele doua moduri de vibratie) incazul modelelor, a rezultat usor diferita fata de cea in cazul sectiunilor circulare, calculataconform standardelor (ex. la modul 1 de la 1.4m/s pana la 2.4m/s; la modul 2 de la 8.5m/spana la 14.5m/s).

    In vederea identificarii instabilitatii aeroelastice potentiale, a conditiei necesare Glauert -Den Hartog, de aparitie a fenomenului de galopare cD + c’L

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    21

    asimetrice. Numarul St=0.19 pentru sectiuni circulare cu 105

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    22

    In realitate, de la caz la caz, acest lucru poate fi usor diferit. In unele cazuri, astfel depiloni (mai ales cei de iluminat) au cablurile dispuse de producatori la interior (din motive,functionale, de protectie, etc), iar cei cu ele dispuse la exterior (mai ales cei de comunicatii),ar putea avea o pozitie, arie si/sau o rigiditate diferite de cele luate in considerare inexperimentul prezentat (la un diametru al modelului de 80mm, s-a modelat patul de cabluri caun corp rigid cu aceleasi caracteristici ca pilonul si atastat acestuia, cu o sectiunedreptunghiulara 60x30mm). In schimb multi stalpi au platforme de lucru si de odihna, iar inanumite situatii exista si incarcari utile. Aceste lucruri pot face obiectul unor cercetariulterioare.

    In concluzie, testele prezentate au o valoare si o relevanta deosebite, aratand variatia unorparametri si posibila aparitie a unor fenomene, in acest sens, modelarea aleasa fiind foartepotrivita pentru evidentierea acestora. Aprofundarea acestor cercetari va conduce laintelegerea deplina a fenomenelor asociate actiunii vantului pe structuri tip console verticale,zvelte/flexibile si nu numai.

    c) Analiza raspunsului dinamic sub actiuni seismice a structurilor de tip consolaverticala, piloni de telecomunicatii, de iluminat, etc, a fost mai intens studiata in tarile in cursde dezvoltare, mai ales cele din Asia, precum Iran, India, Pakistan, Sri Lanka. In marea lormajoritate, studiile au fost axate pe stalpi telecom cu sectiune zabrelita si toate au prezentat inmod comparativ atat raspunsul dinamic structural sub actiuna seismica, cat si cel sub actiuneavantului. In 2007, Ghodrati, Massah si Boostan au realizat un studiu de caz cu privire laraspunsul structural al unui set de piloni zabreliti de telecomunicatii cu inaltimi intre 18 si67m. In vederea evaluarii raspunsului dinamic sub actiunea seismului si vantului, s-au utilizatincarcarile prevazute in Codul Iranian 2800/2005 cu privire la proiectarea antiseismica aconstructiilor, cu o acceleratie a terenului pentru proiectare A=0.35g, dar si spectrelenormalizate ale seismelor din Nanghan, 1978, Tabas, 1979, si Manjil, 1988. Pentru evaluareaactiunii vantului s-a considerat conform TIA/EIA-222 (colectia de standarde cu privire lastructurile pilonilor metalic pentru telecomunicatii, ANSI, SUA), o viteza de 160km/h(45m/s, interval de mediere 3sec si preioada de revenire 50 ani).

    Concluzia simularilor a fost, fara exceptie, ca eforturile sectionale si deplasarile provenitedin actiunea dinamica a vantului sunt superioare celor provenite din actiunea produsa decutremur.

    Fig. 1.15 Spectrul de proiectare pentru turnuriletelecom, conform Codului Seismic Iranian din

    2005 (Ghodrati, Boostan, 2007).

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    23

    In Sri Lanka, un colectiv de cercetare de la Universitatea Moratuwa a realizat in 2013 unstudiu similar cu privire la piloni zabreliti telecom amplasati in Sri Lanka. Acestia au inaltimide 30, 50, repsectiv 80m, iar pentru evaluarea actiunii seismice in amplasament s-a considerato acceleratie a terenului pentru proiectare a=0.10g, cu 10% probabilitate de depasire in 50 deani, dar si conditii de amplasament din Pakistan si Nepal. Pentru evaluarea actiunii vantului s-au utilizat tot normele americane TIA/EIA-222, alegandu-se pentru analiza doua viteze, de33.5m/s (zona3 Sri Lanka, 120km/h) si 50m/s (180km/h).

    Fig. 1.16 Rezultatea obtinute de Gunathilaka et al in 2013, forta taietoare si moment incovoietor obtinute pentruactiunea vantului (33.5, 50m/s) si actiunea din seism (Sri Lanka, Pakistan, Nepal).

    Ca si in cazul anterior, concluzia simularilor a fost, fara exceptie, ca eforturile sectionalesi deplasarile provenite din actiunea dinamica a vantului sunt net superioare celor provenitedin actiunea seismica. In India, Vidya si Abhijeet realizeaza in 2012 un studiu similar,comparand efectele actiunilor provenite din vant si cutremur pe piloni telecom. Ca si incazurile precedente, efectul vantului a prevalat in fata celui produs de seism.

    Capitolul 6 alin 6.2.6.1 din Codul AS/NZS 7000:2010 cu privire la liniile detelecomunicatii sau transport energie electrica si stalii acestora, prevede cu referire la efecteleactiunii dinamice provenite din seism, ca in general, liniile de telecom sau cele electrice nusunt sensibile la acestea, avand un raspuns redus. Cu toate acestea, trebuie acordata atentiestructurilor unde raspunsul este modificat de existenta unor dispozitive auxiliare cum ar fitransformatoarele montate pe stalpi.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    24

    2. STRUCTURI TIP CONSOLA VERTICALA CU SECTIUNEPOLIGONALA SAU CIRCULARA – TIP PILONI DEILUMINAT SAU CU ANTENE TELECOM

    2.1.Domenii de utilizare, importanta, productie

    O mare parte a structurilor tip consola verticala cu sectiune inchisa, poligonala saucirculara este reprezentata de constructiile industriale sau cele aferente infrastructurii, cosurimetalice inalte, piloni metalici cu diferite functiuni, iluminat, telecomunicatii, alimentareenergie, din domeniul transporturilor, purtatori de reclame, logo, etc.

    Pilonii metalici inalti de iluminat sau telecom cu antena, realizati in forma zabrelita (cuancoraje sau fara) sau cu sectiune unitara poligonala sau circulara (cei care fac obiectulprezentei lucari) prezinta o importanta socio-economica deosebita prin numarul lor si/saufunctiunea deservita, in unele cazuri trecuta cu vederea fie de membrii societatii sau agentiieconomici privati, fie de autoritatile publice.

    In mod uzual, pilonii metalici inalti de iluminat sau cei telecom cu antena gsm sunt particomponente ale unor lucrari de constructii precum cele portuare si aeroportuare, feroviare, caide comunicatii rutiere importante – autostrazi, noduri rutiere importante urbane sauextraurbane, linii de telecomunicatii, platforme ale unor agenti economici importanti, etc,lucrari incadrate in mod uzual in categoria de importanta B (deosebita) si mai rar, incategoriile A (exceptionala), sau C (normala). Clasele de importanta-expunere si valorilefactorilor asociati sunt precizate pentru actiunea vantului in tab.3.1 din codul CR1-1-4/2012,respectiv in tab. 4.2 din codul P100-1/2013 pentru actiunea seismului. Acesti factori au valoriin general supraunitare de 1.15 vant clasa II , 1.20 seism clasa II. Intreruperea functionariiacestor piloni din motive electrice sau structurale, produce perturbari majore in functionareacomplexului de constructii din care face parte.

    In cadrul elementelor structurale tip console flexibile verticale, categoria pilonilor deiluminat cuprinde la randul sau mai multe subcategorii, cum ar fi: stalpii de iluminatornamentali sau nu, din mediul urban sau extraurban, piloni pentru gestiunea traficului, piloniinalti cu reflectoare pentru iluminarea bazelor sportive, stadioanelor sau terminalelor detransport si piloni pentru iluminarea platformelor. Pilonii telecom cu antena gsm, cu inaltimiuzuale de peste 15-20m pot fi intalniti mai ales in afara oraselor sau in incinta unor institutiipublice.

    Procesul de productie al pilonilor metalici reprezinta mai rar subiectul de cercetare alinginerilor constructori structuristi. In anul 2015, autorul tezei a vizitat in Polonia o linieimportanta de productie a pilonilor metalici a unei companii multinationale de top indomeniu. Procesul de productie, desfasurat etapizat, poate fi descris sintetic dupa cumurmeaza:

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    25

    - Derularea automata a rolelor de tabla;

    - Profilare poligonala sau circulara, constanta sau variabila a tronsoanelor de tevi;

    - Executie sudura continua longitudinala, a rigidizarilor, accesoriilor si usilor de vizitare;

    - Zincare termica completa in baie, la circa 450ºC, incluzand pregatirea suprafetei,zincarea propriuzisa si inspectia suprafetelor.

    Fig. 2.1 Hala de productie a pilonilor de iluminat, Siedlce, Polonia, 2015.

    Referitor la procesul de zincare termica, mai ales dupa anii 2000, odata cu utilizarea pescara larga a unor structuri optimizate si de dimensiuni din ce in ce mai mari si a unor noialiaje pe baza de zinc utlizate la galvanizare, s-a studiat cu o mai mare atentie aparitia in urmazincarii, in unele cazuri, a unor microfisuri, mai ales, in zona de imbinare prin sudura dintretronsonul baza al pilonilor si placa de baza a acestora. In SUA, Aichinger si Higgins (2006)si Kinstler (2006) au studiat fenomenul, asociind explicit aparitia microfisurilor detectabile cuaparatura ultra-sonica, cu procesul de zincare termica si mai notabil, cu reducerea duratei deviata la oboseala a structurilor tip consola flexibila verticala. In urma experimentelor, Kinstlerarata cum la o temperatura suportata de otel in vederea zincarii, ductilitatea otelului zincatfata de cel nezincat este puternic redusa.

    In Europa, M. Feldmann et al. (2010) in lucrarea „Hot dip zinc coating of prefabricatedstructural steel components” realizata sub egida UE, observa fenomenul de afectare inprincipal al imbinarilor unor elemente metalice prefabricate (cum e si cazul pilonilor deiluminat sau telecom) in timpul zincarii termice si ofera solutii de evitare a acestora.Concluziile acestui raport fac trimitere la norme de interes pentru inginerii structuristi, inspecial EN 1993 (Eurocod3) si EN 1090 (Fabricarea si asamblarea structurilor din otel sialuminiu) adoptate si in Romania in seria SR EN.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    26

    a. b.Fig. 2.2 a. Placa de baza si rigidizarile unui pilon de iluminat; b. fereastra de vizitare, zona de concetrare de

    eforturi pentru stalpii metalici. Siedlce, Polonia, 2015.

    Piloni de iluminat

    Pilonii cu sectiune unitara poligonala sau circulara utilizati pentu iluminatul terminalelorde transport (porturi, aeroporturi, gari, autogari) sau la iluminatul platformelor industriale, auun regim de inaltime, in general, cuprins intre 20m si 40m, putand insa ajunge in anumitecazuri si la 60m sau chiar 70m. Acestia prezinta coroane fixe sau mobile pentru iluminatcircular sau unidrectional, sau sunt dotati cu bare etajate de reflectoare pentru iluminatunidirectional. In vederea accesului la corpurile de iluminat, in general, cei cu coroane fixesau bare fixe de reflectoare, sunt dotati cu scari de acces si platforme de lucru/odihna ce potgenera instabilitate aeroelastica. Structura principala cu sectiune poligonala sau tubulara esterealizata tronsonat in vederea optimizarii transportului si montajului. Tronsoanele (in generalde max.12m) sunt imbinate in general prin suprapunere, lucru ce conduce local la o crestere amasei raportata la lungimea pilonului. Sistemul de fundare este in general direct cu fundatieelastica din beton armat, iar transmiterea efortuilor sectionale se face prin intermediulbuloanelor dispuse perimetral. In cazul pilonilor de inaltime mare si foarte mare, in conditiileunui teren slab de fundare, pot fi necesare solutii de fundare indirecta.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    27

    a. b.Fig. 2.3 a. Tronsonul de baza al unui pilon h=40m, Siedlce, Polonia, 2015; b. Pilon de iluminat h=40m cu

    coroana, zona portuara Genova, Italia, 2016.

    Pilonii de iluminat pentru stadioane (sau baze sportive) necesita o inaltime mare ingeneral, peste 30m si sunt dotati cu bare fixe cu numar mare de reflectoare si implicit maseconcentrate mai mari la varf si o arie sporita supusa actiunii vantului. Pilonii pot aveasectiune spatiala zabrelita sau sectiune unitara poligonala sau circulara (ex. pilonii Valmont,fig.2.5.b).

    a. b.

    Fig. 2.4 a. Unul din cei 4 piloni de iluminat h=43.3m, ai Stadionului Lia Manoliu, construit in 1971,expertizat in 2004 si actualmente demolat;

    b. Pilon de iluminat pentru stadioane tip Valmont cu sectiune unitara circulara sau poligonala.

    In anul 2004, profesorii L. Negrei, N. Popa si I.R. Racanel din cadrul UTCB, au efectuato expertiza tehnica a celor 4 piloni de iluminat ai Stadionului Lia Manoliu (fig.2.5.a), proiectla care autorul tezei a participat in calitate de reprezentant al proiectantului general peprobleme de structuri. Pilonii construiti in perioada 1971-1972, aveau o sectiune zabrelita de

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    28

    forma rectangulara, realizata din profile tip L, U si T, o inaltime totala de 43.3m si prezentau,conform proiect, o inclinare de 50 grade, fata de orizontala, in directia terenului de joc.Fundatiile unui pilon au fost directe, realizate din doua parti tip bloc-cuzinet din beton armat,cu inaltimi de 4.00m (parte principala), legate prin grinzi.

    Rezultatele expertizei pilonului de iluminat aferent Stadionului Lia Manoliu au confirmatconcluziile din subcapitolul 1.3. Actiunea provenita din vant combinata in cadrul grupariifundamentale de incarcari a rezultat mai mare decat cea provenita din cutermur combinata incadrul gruparii speciale, chiar in conditiile masivitatii pilonului. Acest stadion a fost demolatin intregime, facand loc actualului stadion.

    Stalpii metalici de iluminat rutier pentru autostrazi au de regula inaltimi de 9m sau 12mcu unele exceptii in zona unor intersectii giratorii mari sau a unor noduri rutiere de o anumitaforma. Atentia acordata acestora este justificata mai ales de numarul lor. Acesti stalpiprezinta unele particularitati, in sensul dispunerii acestora fie pe taluzuri cu diverse inclinari,fie pe poduri sau pasaje, la anumite inaltimi.

    a. b.

    Fig. 2.5 a. Nodul rutier Gherghita de pe Autostrada A3. Iluminat nod cu stalpi 9/12m, structurasemnalizare rutiera, 2016.; b. Pilon de iluminat h=20m cu bara fixa de reflectoare si scara acces, Aerport

    International Suceava, 2015. Participare personala in cadrul proiectelor.

    Piloni cu antene telecom

    Pilonii cu sectiune unitara poligonala sau circulara utilizati pentru pozitionarea antenelortelecom gsm, au un regim de inaltime, in general, cuprins intre 10m si 60m, putand insaajunge, conform unor producatori si furnizori de anvergura globala, precum ValmontStructures, in anumite cazuri si la 90m, din tronsoane tronconice de pana la 16m lungime.Acest tip de piloni sunt utilizati in principal de catre furnizorii de telefonie mobile, dar se potregasi si in dotarea infrastructurii de transport cum ar fi ce rutiera sau feroviara.

    O problema specifica acestui tip de piloni o reprezinta acoperirea antenelor telecom cucilindri metalici de protectie. In conditiile in care acestia nu au fost luati in calcul de lainceput de catre specialisti, ei pot deveni o problema, solicitand suplimentar la oboseala

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    29

    structura in urma modificarii raspunsului dinamic sub actiunea vantului, a fenomenului dedesprindere a vartejurilor.

    Intr-o singura tara membra UE, in urmadeciziei unor furnizori telecom de acoperire aacestor antene montate pe piloni existenti cucilindri metalici, intr-un singur an s-au produscateva zeci de colapsuri de piloni. Solutia deremediere a deficientei la pilonii existenti nu afost majorarea de capacitate portanta in zoneleafectate, ci solutia consacrata constand inprevederea unor cilindri din plase care sa permitacircularea libera a curentilor de aer.

    Fig. 2.6 Pilon cu antena telecom aferenta caii ferate,Tara Galilor, UK.

    Fig. 2.7 Partea superioara a unor piloni cu antena tetelcom. a. Antene in spatiu deschis; b. Antene acoperitecu cilindru metalic de protectie. Piloni Mitas, Turcia.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    30

    2.2.Proiectarea pilonilor metalici de iluminat si Studiu de caz in incintaAeroportului International Iasi

    Consideratii privind proiectarea pilonilor metalici

    Din punct de vedere structural, procesul de proiectare in faza detalii de executie alpilonilor de iluminat cuprinde mai multe etape si interactiunea cu alte specialitati, inginerielectricieni, geotehnicieni si topometristi, producatori/furnizori piloni, arhitecti, urmarindu-sesuccesiv, in mare,urmatoarele:

    - Primirea Temei de Proiectare din partea proiectantului specialitatea instalatii electrice, cuprivire la pozitia si inaltimea pilonului, numarul si tipul de proiectoare necesare;

    - Primirea Studiilor de Teren, ce includ Ridicarea Topo si Studiul Geotehnic deamplasament elaborat conform normei de specialitate NP 074-2014, incluzandrecomandari privind sistemul de fundare, presiune conventionala, risc aparitie tasari, etc.Studiul este elaborat pe baza unei teme primite de la inginerul structurist, cuprinzandpozitie si adancime foraje, date solicitate, etc;

    - Alegerea de catre proiectant a tipului de pilon; predimensionarea; stabilire clasa deimportanta-expunere;

    - Evaluarea si combinarea tuturor incarcarilor provenind din actiuni permanente, variabile,accidentale, seism, specifice amplasamentului si tipului de structura;

    - Realizarea modelarii, a calculului structural propriuzis, analiza modala, obtinere deplasarimaxime, eforturi sectionale (N,M,T) si verificarea structurii la stari limita (SLU, SLS);

    - Proiectarea sistemului de fundare si al modului de transmitere al eforturilor sectionale dela baza pilonului la fundatie, cu respectarea prevederilor Studiului Geotehnic;

    - Elaborarea tuturor pieselor scrise (memoriu tehnic, caiete de sarcini, programele decontrol al calitati si al urmaririi comportarii in timp a constructiei, liste de cantitati) sidesenate (toate detaliile de executie) necesare si verficare MLPAT (Ministerul LucrarilorPublice si Amenajarii Teritoriului) a proiectului.

    Dupa caz, proiectantul poate fie sa contacteze un furnizor/producator de piloni (pe piataromanesca sunt atat producatori romani cat si straini) care sa furnizeze o solutie standard saucustomizata privind pilonii de iluminat, exceptand sistemul de fundare, fie sa conceapa osolutie proprie. In primul caz, care este in ultimul timp din ce in ce mai intalnit, in vedereaevitarii neconformitatilor, este in mod cert recomandat ca proiectantul general al pilonului sase asigure de corectitudinea datelor de intrare, furnizand producatorului toate datele necesaresi sa verifice apoi rezultatele si solutia care-i este propusa.

    Calitatea si nivelul de detaliere al calculelor efectuate de producator, incluzand evaluareacorecta a actiunilor climatice si seism specifice amplasamentului, studierea aprofundata araspunsului dinamic, a fenomenului de desprindere a vartejurilor sau al celui de aparitie agaloparii, etc, pot diferi.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    31

    Fig. 2.8 Extras din fisa de calcul completa, pilon h=20m, realizata in cadrul unui proiect in care autorul tezei afost implicat ca inginer sef proiectant, specialitatea structuri. Consilierea producatorului in privinta evaluarii

    incarcarilor specifice amplasamentului, evaluare cerinte si verificare rezultate.

    Dintre factorii potentiali care pot genera inexactitati in cadrul procesului de proiectare incazul implicarii producatorilor/furnizorilor, ipotetic, se pot enumera:

    - neluarea in considerare a informatiilor corecte cu privire la actiunea vantului, (dar si aseismului, chiciurii, etc) in amplasamentul pilonului studiat;

    - incadrare incorecta in clasele de importanta- expunere, conform normelor tehnice invigoare;

    - subevaluarea coeficientului de raspuns dinamic cd;

    - lipsa analizei efectelor actiunii vantului pe directie transversala, desprindere vartejuri,galopare, cunoasterea vitezelor critice; subevaluare durata normata de viata; lipsa studieriicomplete a vecinatatilor (constructii apropiate, ramblee inalte);

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    32

    - verificare incompleta/subevaluata la oboseala, numar de cicluri de incarcare dat dedesprindere vartjeuri, sau calcul de ovalizare;

    - realizarea unor calcule comune pentru pilonii furnizati, indiferent de inaltimea la care suntdispusi (la nivelul solului vs pe poduri, pasaje cu inaltimi semnificative).

    O atentie deosebita trebuie acordata si alegerii protectiei anticorozive in functie deamplasamentul ales (zone industriale, litoral, etc) si post executie, respectarii programului deurmarire a comportarii in timp a constructiei.

    Fig. 2.9 Colapsare a unui pilon metalic de iluminat h=30m, datorita oboselii induse de actiunea vantului.(Repetto si Solari, 2010).

    Studiu de caz. Pilon de iluminat h=30m amplasat in incinta AeroportuluiInternational Iasi

    Descrierea amplasamentului din studiul de caz

    Obiectul studiului de caz il reprezinta pilonii de iluminat aferenti platformei de imbarcare– debarcare construita in cadrul programului de modernizare si extindere a AeroportuluiInternational Iasi, aeroportul regional al zonei de Nord-Est a Romaniei.

    Aeroportul International Iasi este situat in zona de Nord-Est a tarii si in partea de Nord-Est aMunicipiului Iasi, in zona lacurilor Ciric, la o altitudine de aproximativ 105m (fig.2.11).Istoric, primele zboruri private incep in anul 1905, pe o pista de iarba, iar primul orar de zboreste oficializat in anul 1926. Actualmente, aeroportul este deservit de trei terminale depasageri din care doua deschise dupa 2012, raportand pentru anul 2016 un numar de 890.800pasageri si preconizand pentru 2017 un numar de 1.2 milioane pasageri. Aria de deservire aaeroportului cuprinde judetele Iasi, Vaslui, Neamt, Botosani, Suceava, Bacau, reprezentandcirca 17.25% din populatia Romaniei, dar si unele raioane din Republica Moldova.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    33

    Fig. 2.10 Amplasamentul Aeroportului International Iasi. Vizualizarea categoriei de teren II – III, campdeschis pe trei laturi si padure foioase la circa 150m, pe o latura.

    Pe directia Nord Est – Sud Vest, la circa 150m se afla in partea de sud-vest o padure cese desfasoara pe o lungime de circa 900m, in timp ce pe celelalte directii se afla campdeschis. Conform codului romanesc CR1-1-4/2012, amplasamentul se poate incadradirectional in doua categorii de teren, categoria II de teren fiind general descrisa de campurilibere, de terenuri inierbate sau terenuri cu constructii (si/sau copaci) izolate, care se situeazala o distanta minima de 20 de ori inaltime obstacol si categoria III de teren fiind generaldescrisa de suprafete cu vegetatie uniforma sau constructii, sau cu obstacole izolate situate lao distanta maxima de 20 de ori inaltimea acestuia (paduri, sate, periferii urbane, etc.).

    In urma analizei de amplasament, pentru uniformizarea calculului privind actiuneavantului si efectele sale, a fost aleasa in mod acoperitor categoria II de teren (z0=0.05m,zmin=2m). Conform aceluiasi cod, presiunea de referinta a vantului in zona Iasi esteqb=0.7Kpa, IMR 50 de ani. Acest lucru se traduce intr-o viteza de referinta vb=33.47m/s.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    34

    Din punct de vedere functional, pilonii deservesc platforma de imbarcare-debarcare aAeroportului International Iasi (fig.2.12).

    Platforma parcare aeronave (contract in derulare)=227,00m

    78,5

    0 99,0

    0

    Extindere suplimentaraplatforma=130,00m

    698500

    Fig. 2.11 Plan de situatie extindere platforma imbarcare-debarcare la Aeroportul International Iasi. Proiectderulat in perioada 2014-2015

    Descrierea structurii pilonului din studiul de caz

    Grupa de piloni de iluminat executata in perioada 2014-2015, contine 4 piloni, dispusi lao distanta de 75m unul de altul, doi cu inaltimea de 25m si doi cu inaltimea de 30m, obiectulstudiului fiind unul din pilonii cu inaltimea de 30m.

    In cadrul proiectului de executie, acesti piloni de iluminat au fost calculati cu softwarespecializat al unei firme multinationale producatoare (in cadrul unei colaborari intre aceasta siproiectant), in conformitate cu prevederile EN 1991-1-4 Actiunea Vantului (Eurocod 1),tinandu-se cont de conditiile locale din amplasament, zonarea valorilor de referinta apresiunii vantului din Romania si clasa de importanta-expunere. Ulterior, au fost facutedimensionari si verificari ale sistemului de fundare, proiectul final indeplinind toate cerinteleconform legislatiei romanesti in domeniu.

    Pilonul de iluminat mentionat are forma generala tronconica cu o sectiune variabila deforma poligonala cu 16 laturi (asimilabil pentru calcul unei forme circulare) si este realizatdin otel de calitate S355. Diametrul mediu la baza este de 1009.4mm, ajungand la varf la undiametru de 246.8mm. Grosimea materialului in sectiune este de 10mm pe primii 10.5m si de8mm pana la varf (30m). Din punct de vedere constructiv, pilonul este format din treitronsoane imbinate, pe care au fost atasate scara de acces, platforma de lucru, paratrasnetul sicatargul pentru proiectoare din profil UNP100 otel S235. Pilonul este prevazut cu un numartotal de 8 proiectoare dispuse pe doua randuri, tip Philips MVP507. Fundatiile sunt din betonarmat, sistem bloc si cuzinet, pilonul metalic fiind incastrat prin intermediul placii de baza siunui numar de 16 buloane M48 B500. Datorita naturii terenului din zona, sub fundatii a fostnecesara realizarea unei perne din material local compactat.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    35

    Pentru generalizare, in cadrul studiului de caz prezentat in lucrare, a fost aleasa clasa deimportanta-expunere III, cu coeficientul 1.00.

    Avandu-se in vedere inaltimea pilonului, care este mai mare de 20m, acesta nu intra subincidenta normei EN 40-3:2003 modificat in 2013, privind Proiectarea si Verificarea Stalpilorpentru iluminat public (cu varianta nationala SR EN).

    Cu privire la incadrarea in clase de sectiuni verificarea raportului d (diametru in sectiune)/ t (grosime sectiune) pentru pilon la diferite inaltimi, se face conform prevederilor SREN1993-1-1:2006 pct 5.2.2 (tab. 5.2 rapoarte maxime diametru/grosime pentru pereticomprimati la sectiuni tubulare):

    Clasa1, daca d/t ≤ 50ε2; Clasa2, daca d/t ≤ 70ε2; Clasa3, daca d/t ≤ 90ε 2 (2.1)

    unde ε = √(235/fy); pentru otel tip S355, rezulta ε2=0.662.

    Astfel, imediat deasupra placii de baza, d=1009.4mm, t=10mm, cu d/t = 101 > 60, rezultaClasa 4 de sectiuni (trimitere la SR EN1993-1-6:2007). Cerintele de incadrare in Clasa 3 desectiuni sunt indeplinite de caracteristicile geometrice ale pilonului intre inaltimile 21m –30m.

    Trebuie remarcat ca pentru incadrarea in Clasa 3 de sectiuni, BS 5950-1:2000, Structural useof steelwork, table12, UK, prevede pentru sectiuni circulare inclusiv sudate longitudinalsolicitate la incovoiere, conditia de baza ca d/t ≤ 140ε2 (pentru compresiune, limita este 80ε2),cu ε = √(275/fy), adica d/t ≤ 108, conditie indeplinita de pilon pe toata inaltimea. ConformAISC360-2016 Specification for structural steel buildings, table I1.1a,b, pentru incadrarea inClasa3 de sectiuni, conditia este d/t ≤ 0.31E/fy, adica d/t ≤ 175, conditie indeplinita de pilonpe toata inaltimea. Practic rezulta ca, in cazul de fata, EN1993-1 prevede o incadrare in clasesectionale, realizata in mod acoperitor raportat la cele doua standarde susmentionate.

    Evaluarea incarcarilor (altele decat cele provenite din hazard natural vant, gheata, seism):

    - G1. cabluri (pozitionate in interiorul pilonului): 25 daN/ml;

    - G2. scara exterioara acces: 9 daN/ml, arie 0.075mp/ml pe dir.x;

    - G3. bara proiectoare: 183 daN la cota +30.00, arie 1.76mp pe dir.x;

    - G4. platforma de lucru: 219 daN la cota +29.00, arie 1.27mp pe dir.x;

    - Q1. incarcare utila platforma lucru: 200 daN la cota +29.00, arie 1.6mp pe dir.x.

    In vederea determinarii caracteristicilor dinamice de baza, moduri proprii de vibratie sifrecvente proporii, s-a realizat o analiza modala cu programul de calcul automat SAP2000,prin utilizarea metodei Eigenvector (cu considerarea vibratiilor libere neamortizate).

    Analiza modala presupune determinarea valorilor proprii prin rezolvarea ecuatiei:

    [K]׀ – [Ω]2 [M]׀ = 0 (2.2)

    unde [K] este matricea de rigiditate a structurii, [Ω]2 este patratul matricei spectraleexprimata in pulsatii proprii, iar [M] este matricea diagonala a maselor la noduri.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    36

    Fig. 2.12 Poze din timpul montajului pilonilor de iluminat de la Aeroportul Iasi:a) armarea fundatiilor;b) prezentarea tronsonului 1 cu placa de baza si usa de vizitare cabluri.;c) montajul la sol al tronsoanelor, al scarii, platformei de lucru, paratrasnetului si al structurii reflectoarelor;d) pilonii de iluminat la pozitie, inaintea inaugurarii oficiale.

    Din punctul de vedere al modelarii structurii, au fost realizate trei modele cu tipuri deelemente distincte, a) elemente nonprismatice, b) elemente tip segment cilindric si c)elemente tip shell.

    Rezultatele obtinute, perioade (secunde) si frecvente (Hz) proprii de vibratie pentru celetrei modele similare, sunt urmatoarele:

    a) elemente nonprismatice:

    T1,2=1.328sec;ν1,2=0.753Hz; T3,4=0.347sec;ν3,4=2.878Hz; T5,6=0.143sec;ν5,6=6.985Hz;

    b) elemente tip segment cilindric

    T1,2=1.337sec;ν1,2=0.748Hz; T3,4=0.345sec;ν3,4=2.895Hz; T5,6=0.142sec;ν5,6=7.036Hz;

    c) elemente tip shell

    T1,2=1.281sec;ν1,2=0.781Hz; T3,4=0.339sec;ν3,4=2.949Hz; T5,6=0.139sec;ν5,6=7.195Hz;

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    37

    Fig. 2.13 a) Modelareacompleta pe calculator a

    pilonului de iluminat. Detaliubara reflectoare si platforma delucru. Detaliu baza pilon si usavizitare; b) diferite reprezentariale modurilor de vibratie T1,2;

    T3,4; T5,6; T7,8 pentruelemente tip cilindru si tip shell.

    Fig. 2.14 Punerea la pozitie a pilonului de 30m si schita pilonului.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    38

    3. ANALIZA DATELOR METEOROLOGICE PRIVIND VITEZAVANTULUI LA AEROPORTUL IASI

    3.1.Baze de date meteorologice

    Clasificarea fenomenelor eoliene care se pot dezvolta in stratul limita atmosferic si potinteractiona cu structurile create de om, este urmatoarea:

    - circulatia atmosferica primara: alizee, vanturi vestice si vanturi estice;

    - circulatia atmosferica secundara: cicloni tropicali, extra-tropicali, anticicloni, musoni;

    - vanturi locale: produse de conditii geografice speciale (briza, fohnul, bora) sau produse deconditii atmosferice speciale (furtuni, tornade). In Moldova trebuie mentionat si crivatul.

    In Romania (tara cu clima temperata), ciclonii extra-tropicali, anticiclonii, suntfenomenele eoliene cu probabilitatea cea mai mare de producere, dar si cu severitatea cea maimare sub aspectul intensitatii. Trebuie mentionat insa faptul ca in ultimul timp si fenomenelemeteorologice locale extreme, printre care si furtunile, au capatat o amploare deosebita,producand distrugeri insemnate si necesitand in consecinta o atentie speciala, inclusiv subaspectul reevaluarii actiunii vantului asupra constructiilor si ca o consecinta, a dimensionariiacestora. In acest context, analizele statistice si probabilistice de acuratete ale bazelor de dateprivind vitezele instantanee ale vantului, obtinute de la echipamente automatizate(anemometre sonice, lidare, etc) devin demersuri extrem de importante.

    In vederea asigurarii unor baze de date cu valori corecte care sa nu influenteze negativrezultatele analizei probabilistice, este necesar ca bazele de date supuse analizei continandvitezele vantului, sa fie reprezentative, sa contina valori corecte si sa fie omogene.

    Reprezentativitate

    Reprezentativitatea bazelor de date continand viteze ale vantului este corelata cuintervalul (durata totala) inregistrarilor si cu amplasamentul anemometrului aferent statieimeteo. Intervalul inregistrarilor trebuie sa fie corelat la randul sau cu durata de viataproiectata a structurii analizate (precizate in Romania si de codul CR 0-2012). De exemplupentru o structura cu o durata de viata proiectata de 50 ani, o baza de date avand un interval alinregistrarilor de 40-60 ani ar avea o buna reprezentativitate, acest lucru fiind recomandat siin Codul CR1-1-4/2012. In acelasi timp, intervalul inregistrarilor depinde si de metoda aleasain cadrul analizei statistice si probabilistice a datelor; in cazul alegerii unor tehniciprobabilistice mai complexe si de mai mare acuratete, se pot analiza si baze de date cuintervale reduse ale inregistrarilor (ex. 10-15 ani). Acest interval este ales in functie si deacuratetea urmarita in urma analizei probabilistice. Amplasamentul anemometrului aferentstatiei meteo este important intrucat datele inregistrate pot fi utilizate in vederea obtinerii dedate derivate pentru alte amplasamente in zona. Amplasamentul ideal ar fi in zone de terendeschis la o inaltime de minim10m.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    39

    Corectitudine

    Corectitudinea bazelor de date depinde in principal de patru mari categorii de erori ce potaparea in cadrul procesului de inregistrare. Acestea categorii de erori pot fi generate de a)calitatea aparaturii de inregistrare (ex. vechime sau lipsa de mentenanta a anemometrelor), b)masuratori in afara citirilor regulate (ex. viteze reduse ale vantului 0 – 0.5m/s pana la 2m/s,sau viteze deosebit de mari >50m/s), c) inregistrarea unor date fara legatura cu viteza vantuluiasociata unui fenomen meteo natural (ex. la statiile meteo aeroportuare, decolarea/aterizareaunui avion), d) erori umane de inregistrare si transcriere a datelor in bazele de date (specificein general perioadei 1960-1985, asociate lipsei inregistrarilor automate).

    Alterarea bazelor de date se mai poate realiza prin oprirea temporara a echipamentelor deinregistrare, datorita factorilor meteo, uman, defectarii.

    Un rol central in stabilirea acuratetii dar si corectitudinii bazelor de date continand vitezeale vantului, il au intervalul de inregistrare si cel de mediere (ex. viteze mediate pe 10 minuteinregistrate orar). Inregistrari rare la 3, 6 ore sau zilnice si intervale mari de mediere alevitezei conduc la pierderea acuratetii si chiar la analize eronate, devenind inoperabile, in timpce inregistrarile continue si instantanee, la 1secunda si sub 1secunda (chiar si la 0.1sec),specifice aparatelor de ultima generatie, au cea mai mare relevanta (anemometre sonice bi sautriaxiale, lidare, etc). In toate cazurile prezentate, este necesara analizarea si corectareadatelor privind viteza vantului. Corectia in cazul valorilor reduse ale vitezelor vantului esterelevanta mai ales pentru determinarea distributiei tuturor datelor din baza (populatia dedate), in timp ce in cele mai multe cazuri, corectia valorilor medii ale vitezelor este mai putinnecesara. Corectia valorilor mari ale vitezelor vantului este esentiala in determinareadistributiei extremelor.

    Fig. 3.1 Programul Italiano-Francez „Winds, Ports and Sea” 2013-2015, zonele Liguria-Corsica. InregistrareaLidar-ului din Portul Genova aferenta zilei de 20.05.2015 (24/24h).

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    40

    In figura 3.1 este prezentata o inregistrare efectuata cu Lidarul, aferenta unei zile (24ore),putandu-se face inregistrari ale datelor privind vantul, pe inaltimi de pana la 200-250m. Sedisting vitezele mediate pe 10minute ale vantului (orizontal si vertical), vitezele maxime,directia, intensitatea turbulentei sau factorul de rafala.

    Omogenitate

    Eterogenitatea bazelor de date continand vitezele vantului poate fi determinata inprincipal de trei factori:

    a) utilizarea unor intervale diferite de mediere a vitezei vantului (ex. 3sec, 1min, 10min,etc) pe parcursul intregului interval de inregistrare (ani sau zeci de ani);

    b) mutarea pozitiei anemometrului aferent statiei meteo pe parcursul intervalului deinregistrare (ani sau zeci de ani), sau modificari locale de relief ce ar putea influentainregistrarile;

    c) date asociate unor fenomene eoliene diferite, precum cicloni extra-tropicali, furtuni,tornade, etc. In acest sens, in vederea realizarii unei analize statistice corecte, este necesaraidentificarea vitezelor vantului asociate cu diferitele fenomene eoliene exceptionale (care suntsi rare) si izolarea acestora. In categoria acestor fenomene eoliene exceptionale se incadreazaciclonii tropicali de mare intensitate (uragane, taifunuri, etc) si tornadele. Intrucat acestefenomene sunt rare (raritatea acestora insa este pe cale a se schimba in contextul actualelorschimbari climatice de la nivel global), ele nu pot influenta analiza probabilistica a datelor debaza, insa o influenteaza pe cea a valorilor extreme.

    3.2.Analiza statistica a vitezei vantului si teoria statistica a valorilorextreme

    Ca rezultat al cercetarilor, a devenit acceptat faptul ca in cadrul proiectarii structurilorsupuse actiunii vantului, apartinand unui amplasament dat, este foarte utila o caracterizare dinpunct de vedere statistic si probabilistic a valorilor vitezei vantului, in special a valorilorextreme, utilizandu-se in mod curent pentru aceasta analiza maximele anuale. Aceste analizeprobabilistice ale diferitelor viteze ale vantului sunt caracteristice amplasamentului statieimeteorologice unde s-au obtinut valorile respective. Extrapolarea unei baze de date cuinregistrari fizice specifice unui amplasament pe un alt amplasament, este posibila prinintermediul transformarii bazei de date respective intr-o baza artificiala de date, modificandu-se in mod corespunzator viteza medie a vantului (tinandu-se cont de factorul orografic,rugozitate, distanta, etc).

    Aceasta analiza statistica si probabilistica a datelor privind viteza vantului consta dincateva etape distincte:

    - analiza bazei de date cu validarea datelor inregistrate;

    - analiza tuturor valorilor vitezei vantului inregistrate in baza de date in cauza (populatia dedate);

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    41

    - analiza valorilor extreme validate ale vitezei vantului inregistrate in baza de date, inspecial a maximelor anuale;

    - transformarea distributiilor valorilor de baza si a celor extreme (maxime) in functii-grafice caracteristice actiunii vantului in amplasamentul respectiv.

    Fig. 3.2 Profilul vitezei medii a vantului si turbulenta atmosferica in stratul limita atmosferic.

    Distributii ale populatiei de date inregistrate

    Modelul probabilistic recunoscut pe scara larga si in consecinta si cel mai utilizat pentrudistributia vitezelor vantului provenite din populatia de date este modelul Weibull. DistributiaWeibull are o origine empirica si apartine cercetatorului, matematicianului si ingineruluisuedez E.H.Waloddy Weibull. Acesta a prezentat prima oara distributia Weibull in fataSocietatii Americane a Inginerilor Mecanici (ASME) in anul 1951, utilizand 7 studii de cazconcludente.

    Functia de repartitie Fv(v) si densitatea de repartitie fv(v) ale modelului Weibull pentruvalorile v (viteza vantului) sunt descrise de formulele de mai jos:

    (3.1)

    (3.2)

    unde c si k sunt parametrii distributiei Weibull. Estimarea parametrilor c si k este efectuatautilizand in general metoda standard in Analiza Regresiei (metoda celor mai mici patrate-least squares method). Eficienta acestei metode poate fi substantial imbunatatita apeland latehnicile BLIE sau BLUE, (Best Linear Invariant or Unbiased Estimators), (Conradsen et al,1984).

    Media μv si Dispersia (varianta) σ²v sunt exprimate astfel:

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    42

    (3.3)

    (3.4)

    unde Г(x) este functia gammaavand expresia de mai jos:

    pentru (3.5)

    Principalul neajuns al distributiei Weibull este reprezentat de modul de tratare alcalmului de vant, intrucat Fv(0) = fv(0) = 0. In realitate insa anemometrele pot iregistraperioade importante de calm de vant. Aceasta problema poate fi eliminata prin metodadenumita Weibull Hibrida (Takle si Brown, 1978), in care se iau in considerare si perioadelede calm de vant. Functia F si densitatea f de repartitie, aferente acestei metode, suntexprimate astfel:

    (3.6)

    (3.7)

    unde F0 se refera la calmul de vant si este raportul dintre numarul de valori v=0 sinumarul total de valori valide. δ(v) este functia lui Dirac (distributie), (Solari, 2016).

    Din cercetari si analize statistice si probabilistice ale unor baze de date privind viteza vantuluiin diferite zone ale Europei, efectuate in ultimii ani, s-au putut stabili intervale de lucrupentru coeficientii k, de exemplu: 1.8...2.0 pentru nordul Europei si UK (Cook si Harris,2004), 1.4...1.7 pentru Liguria, Italia (Solari et al, 2012), etc.

    Modele probabilistice avansate

    In vederea cresterii permanente a acuratetii modelelor, au fost propuse metode complexecare sa conduca la imbunatatirea calitatii rezultatelor. Una dintre aceste metode estedistributia Weibull generalizata cu trei parametri (Stewart, Essenwager, 1978; Van derAuwera et al, 1980). Aceasta metoda poate conduce la unele complicatii din punct de vedereanalitic, iar imbunatatirile aduse rezultatelor sunt de mai multe ori irelevante (Solari, 1996).

    O metoda mai simpla si mult mai eficienta este metoda distributiei Weibull compusa. Incadrul acestei metode, baza de date (populatia de date) se imparte in sub-baze de datecontinand valori omogene, de obicei, corespunzand unor directii ale vantului.

    Distributii ale valorilor maxime

    In analiza valorilor extreme aferente bazelor de date, au fost alese cel mai frecventvalorile maxime anuale.

  • Siguranta structurilor inalte / flexibile la actiuni dinamice din cutremur si vant

    43

    In conditiile unei baze de date cu valori inregistrate timp de T= N ani, cu valori maximeanuale cu T= 1 an, functia F de distributie ar fi:

    (3.8)

    unde si reprezinta functiile de distributie a valorilor maxime V in N ani,respectiv anuale (in 1 an). Formula prezentata a lui F presupune ca valorile maxime anualesunt independente statistic.

    Obtinerea valorilor maxime anuale se realizeaza prin analizarea vitezelor mediate pe unanumit interval (in mod uzual de 10minute), pe tot timpul anului, adica un numar de n va