Amortizori utilizati la structuri inalte

- referat -

Dispozitive dependente de acceleratie

Disipatori cu masa acordata (TMD)

In cazul disipatorilor cu masa acordata diminuarea cantitatii de energie indusa de seism in

structura poate fi realizata prin transferul unei portiuni din energia de vibratie structurala catre

disipatorul cu masa acordata.

Controlul vibratiilor cu ajutorul amortizorilor cu masa acordata poate fi pasiv, activ, semiactiv

sau hibrid in functie de existenta sau inexistenta unui dispozitiv de control activ conectat la masa

acordata sau in functie de strategiile de control ce sunt adoptate pentru dispozitiv.

Sistemele acordate sunt dispozitive suplimentare care se ataseaza structurilor in scopul

reducerii vibratiilor datorate vantului, seismelor sau altor actiuni cu caracter dinamic. Deoarece

frecventa fundamentala a acestor dispozitive este apropiata sau chiar egala cu frecventa structurilor de

care sunta atasate, se numesc “sisteme acordate”.

In general, masele sunt realizate din blocuri de beton sau otel, montate in interiorul cladirilor si

se misca in directie opusa oscilatiilor structurii, in zona de rezonanta, cu ajutorul unor resoarte, fluide

sau penduli. Amortizorii folositi in cadrul sistemului sunt de tip vascos.

Categoria sistemelor acordate cuprinde:

- disipatori cu masa acordata (TMD)

- disipatori cu lichid acordat (TLD)

- disipatori cu coloane de lichid acordat (TLCD).

Exemplu de utilizare

Pentru cladirea cu 101 etaje din Taipei, Taiwan s-a realizat un sistem de amortizare cu masa

acordata, cu o masa totala de 660 de tone, situat la etajul 88. Sistemul a fost proiectat pentru

stabilizarea turnului la actiunea seismica, a taifunurilor si a vantului. TMD-ul este de tip pendular, avand

o serie de 8 amortizori vascosi, primari, pentru preluarea socurilor datorate vantului si o alta serie de 8

amortizori vascosi, secundari pentru socurile produse de miscarea seismica.

1. TMD (Tuned Mass Damper)

Un amortizor cu masa acordata este un dispozitiv compus dintr-o greutate, un resort si un

amortizor cu rolul de a-i reduce raspunsul dinamic. Frecventa amortizorului este acordata la o anumita

frecventa a structurii in asa fel incat atunci cand este excitat, amortizorul va vibra defazat cu miscarea

structurii. Energia este disipata de forta de inertie a amortizorului care actioneaza asupra structurii.

Controlul vibratiilor cu ajutorul amortizorilor cu masa acordata poate fi pasiv, activ, semi-activ

sau hibrid in functie de existenta sau inexistenta unui dispozitiv de control activ conectat la masa

acordata sau in functie de strategiile de control ce sunt adoptate pentru dispozitiv.

Dispozitivul se caracterizeaza prin masa, rigiditate si amortizare. Massa si rigiditatea

amortizorului cu masa acordata sunt alese in asa fel incat sa apropie frecventa proprie de vibratie a

dispozitivului de frecventa de rezonanta a structurii ce trebuie amortizata.

In general, masele sunt realizate din blocuri de beton sau otel, montate in interiorul cladirilor, si

se misca in directie opusa oscilatiilor structurii, in zona de rezonanta, cu ajutorul unor resoarte, fluide

sau penduli. Amortizorii folositi in cadrul sistemului sunt de tip vascos. In timp ce rigiditatea elementului

care face legatura intre masa aditionala si structura are un caracter liniar, forta de amortizare vascoasa

produsa de amortizor poate sa aiba un caracter neliniar, daca nu este proportionala cu viteza.

Studii recente arata ca sistemul de amortizare vascos, cu caracter neliniar, se poate inlocui in

analiza numerica, cu o buna acuratete, cu un sistem echivalent liniar. In consecinta, efectul optim ce se

poate obtine cu ajutorul unui amortizor vascos, cu caracteristici neliniare, poate foarte usor sa fie

corelat cu dispozitivul liniar echivalent.

In figura de mai jos este ilustrat un amortizor cu masa acordata de translatie unidirectionala.

Masa aditionala este asezata pe reazeme cu functia de role, permitand acesteia sa aiba o miscare de

translatie relativa fata de planseu. Resoartele si amortizorii se introduc intre masa si elementele

verticale adiacente care transmit forta laterala planseului, si dupa aceea intregului sistem structural.

Daca vorbim in termeni de control structural, TMD-urile pot fi pasive, asa cum este schematizat

in figura de mai jos, sau active (ATMD). De fapt, eficacitatea TMD se poate mari prin atasarea unei mase

auxiliare si a unui mecanism de actionare pentru ca raspunsul acesteia sa fie defazat fata de raspunsul

masei acordate.

Efectul urmarit de actionarea masei aditionale este de a produce o forta aditionala este de a

produce o forta aditionala care completeaza forta generata de masa acordata, prin urmare rezultand o

crestere a amortizarii pentru TMD.

Exemple de utilizare

Pentru cladirea cu 101 etaje din Taipei, Taiwan s-a realizat un sistem de amortizare cu masa

acordata, cu o masa totala de 660 de tone, situat la etajul 88. Sistemul a fost proiectat pentru

stabilizarea turnului la actiunea seismica, a taifunurilor si a vantului. TMD-ul este de tip pendular, ca in

figura de mai jos, avand o serie de 8 amortizori vascosi, primari, pentru preluarea socurilor datorate

vantului si o alta serie de 8 amortizori vascosi, secundari, pentru socurile produse de miscarea seismica.

Cladirea Trump World Tower din New York are 90 de etaje, fiind cea mai inalta cladire

rezidentiala din lume. La ultimul nivel al cladirii se gaseste un amortizar cu masa acordata cu o masa de

600 de tone. Rolul sau fiind reducerea miscarii datorate vantului puternic.

2. TLCD ( Tuned liquid column dampers)

In ultimii ani constructia de cladiri inalte a fost facilitata si dezvoltata in multe tari datorita

aparitiei de materiale mai rezistente si mai usoare. Exemplele cele mai bune de astfel de cladiri sunt:

Petronas Twin Tower (452 m) din Kuala Lumpur, Taipei 101 (508 m) din Taipei, Taiwan si cea mai inalta

cladire din lume Burj Dubai (807.7 m) in Dubai. Aceste structuri inalte si zvelte sunt de obicei supuse

actiunii vantului si a vibratiilor seismului, ceea ce ar putea cauza discomfort pentru cei ce se afla in

cladire sau chiar colapsul structurii. Astfel atenuarea vantului si a seismului este favorizata de

introducerea vibratiilor folosind dispozitive de disipare suplimentare. Mai mult, caracteristicile solului si

interactiunea dintre sol si structura pot influenta in mare parte raspunsul structurii la diferite actiuni.

Aceste amortizoare au fost studiate in ultimul timp foarte des deoarece micsoreaza vibratiile

induse de vant si de seism la structurile inalte. Prima aparitie a acestor amortizoare a fost la conferinta

internationala “High-rise” din Nanjing – China, in anul 1989 (Sakai F., S. Tamaki – “Tuned liquid column

damper – new type of device for suppression of bulding vibration”).

Desi numeroase lucrari de cercetare au fost efectuate in ceea ce priveste efectele TLCD, putine

investigatii sunt legate de raspunsul cladirilor la actiunea seismului. De fapt majoritatea cercetarilor sunt

concetrate la efectul actiunii vantului.

Acest tip de amortizor este considerat a fi substituentul amortizorului conventional TMD utilizat

pentru controlul vibratiilor la cladirile inalte. Eficienta TLCD depinde de precizia frecventei si de masa de

lichid.

Firma Hyundai E&C a dezvoltat o tehnologie noua de preluare a vibratiilor la zgarie-nori, vibratii

provenite din cauze naturale cum ar fi cutremurele sau vantul puternic. Sistemul poarta numele de M-

TLCD (Multi Cell Tuned Liquid Column Damper) si a fost dezvoltat de firma Koreeana.

Acest tip de disipator se bazeaza pe principiul miscarii unei coloane de lichid intr-un rezervor in

forma de “U”, pentru a contraataca fortele ce actioneaza asupra structurii. Amortizarea este introdusa

in coloana lichidului oscilant printr-un orificiu. Avantajele acestui tip de disipator sunt costurile reduse

de mentenanta dar mai ales faptul ca poate fi folosit ca si rezervor de apa pentru constructia in cauza.

Spre deosebire de sistemul TMD unde acesta nu mai are alta intrebuintare. Cateva dintre aplicatiile

invoative ale disipatoarelor cu lichid au fost studiate in trecut si utilizate pentru stabilizarea vaslor,

stabilizarea satelitilor si recent in ingineria civila.

La universitatea Notre Dame cercetatorii studiaza design-ul si dezvoltarea noii generatii de

amortizoare cu lichid in ingineria structurala. Desi cateva aplicatii au fost realizate in Japonia pentru

aceste disipatoare pasive, exista si anumite limitari, cum ar fi incapacitatea acestora de a raspunde rapid

la incarcari dinamice, si de a mentine nivelul optim de disipare la diferite nivele de solicitare. Un sistem

semi-activ ar putea fi folosit pentru a comepnsa deficientele sistemului TLCD.

Exeprimentele din laborator au aratat ca sistemul semi-activ TLCD poate mari performantele

sistemului pasiv TLCD cu 15-25%.

Cea mai inalta cladire din Vancouver este o structura neobisnuit de subtire din sticla ce foloseste

sistemul TLCD pentru controlul vibratiilor. In anul 1996 Wall Financial Corporation a propus constructia

celui mai inalt turn din Vancouver. Proiectul a fost extrem de complex. Nu numai ca era printre primele

cladriri care ingloba in atat un hotel cat si locuinte rezidentiale, dar era si o cladire inalta lunga dar foarte

subtire, ceea ce insemna o forta a vantului foarte mare ce va actiona asupra cladirii. Raportul dintre

lungime si latime era de 7:1. Cladirea de 48 de etaje are in centru un nucleu de circa 92 de cm grosime,

din beton armat iar plansele au 18 cm grosime.

Pentru controlul vibratiilor ingnierii au prevazut

un sistem original si inovativ de disipare a

vibratiilor. Doua disipatoare TLCD fiecare dispus

pe o inaltime a 4 etaje, cu un rezervor de 190

metri cubi fiecare, intinse pe aproape toata

suprafata cladirii au fost amplasate la partea

superioara a cladirii. Sistemul nu numai ca a

rezolvat problemele structurale dar a economisit

si circa 2 milioane de dloari, suma ce ar fi trebuit

folosita in plus pentru solutii conventionale.

Disipatoarele trebuia construite exact pentru ca

odata ce rezervoarele erau realizate, doar

volumul de apa si poarta prin care circula apa

puteai fi modoficate in functie de vibratiile ce

apareau in structura.

Proiectul a fost finalizat in anul 2001 si a castigat Premiul de Excelenta si Zgarie-

Norul anului printr-un vot international pe saitul www.skyscrapers.com.

Amortizoare vascoase si amortizoare uscate utilizate la contravantuiri

Tehnici si tehnologii de echipare a structurilor multi-etajate cu amortizare suplimentara

In proiecatarea seismica conventionala, un nivel acceptabil de performanta al cladirii, in timpul

unei miscari seismice, consta in capacitatea structurii de rezistenta de a absorbi si a disipa energie intr-o

maniera cat mai stabila si pentru cat mai multe cicluri de solicitare. In cazul unor actiuni seismice

puternice, proiectarea se bazeaza pe ductilitate, acceptand un anumit nivel al degradarilor in cadrul

elelmentelor structurale si nestructurale, fara a se produce colapsul.

Filozofia actuala a proiectarii constructiilor este bazata pe acceptarea aparitiilor zonelor plastice

(articulatiilor plastice in cazul barelor), dar prin proiectare se cere orientarea locului aparitiei acestor

articulatii astfel incat sa se evite prabusirea structurii, tinta fiind salvarea vietilor omenesti. Aceste

articulatii plastice contribuie la disiparea energiei induse de sistem.

Totusi la nivel mondia, tot mai multe cladiri sunt proiectate sa reziste la miscarea seismica

utilizandu-se de un concept relativ nou si anume acela de a introduce in structura dispozitive speciale cu

rolul de a absorbi si disipa energia indusa in structura de miscarea seismica. Folosirea de dispozitive

disipatoare de enerbie urmareste imbunatatirea comportarii structurii printr-o crestere a amortizarii,

necesara disiparii energiei cinetice care apare in structura ca urmare a miscarii seismice. Astfel raspunsul

structural este redus. Aceste dispozitive sunt prevazute cu proprietati speciale, usor de aplicat.

Sistemele de protectie seismica se clasfica in :

- sisteme cu protectie pasiva;

- sisteme cu protectie activa si semiactiva;

- sisteme cu protectie hibrida,

In cadrul acestei lucrari vom trata sistemele cu protectie hibrida. Aceste sisteme reprezinta o

combinatie intre protectia pasiva si cea activa pasiv, nivelul fortelor generate de sistemul activ este mai

redus. Prin urmare, energia necesara pentru realizarea unui control hibrid este mai redusa decat in cazul

unui control complet activ, fiind totusi mai mare decat cea utilizata in sistemele de control semiactiv.

Dispozitivele disipatoare de energie

Rolul principal al dispozitivelor disipatoare de energie este cel de a absorbi sau de a consuma o

parte din energia indusa in cadrul unui sistem structural de catre actiunile exterioare, determinand

astfel o diminuare a necesarului de ductilitate a elementelor structurale.

Dispozitivele disipatoare histerice de energie folosite in mod special la structurile de constructii

sunt siteme pasive care, in afara de functia de a rigidiza structura la actiuni laterale, au si rolul de

disipare a energiei cinetice generata de seisme sau alte forme cu caracter exceptional.

Eficienta maxima a structurilor cu sisteme disipatoare de energie se poate obtine numai pe baza

unor conditii referitoare la disipatorii de energie dintre care mentionam:

- cautarea configratiei optime de dispunere in structura a dispozitivelor disipatoare de energie;

- asigurarea unor conditii normale de lucru privind temperatura, in functie de particulartitile

dispozitivleor;

- dispozitivele disipatoare energie trebuie sa suporte deplasari de trei ori mai mari decat valorile

calculate folosind seismele de proiectare;

- proiectarea ansamblului structural astfel incat sa se asigure accesul pentru verificarea

dispozitivelor disipatoare de energie si eventuala lor inlocuire;

- asigurarea mentenantei si posiblitatea efectuarii unor incercari pe durata de viata a

dispozitivului disipator de energie;

- controlul calitatii operatiilor de introducere a elementelor disipatoare de energie.

Dispozitivele disipatoare de energie se pot grupa in trei mari categorii:

I. Dispozitive dependete de deplasare

- dispozitive liniare

- dispozitive neliniare/histeretice

- dispozitive cu metale ductile

- dispozitive cu frecare

II. Dispozitive dependente de viteza/amortizori vascosi

- dispozitive cu fluid vascos

- dispozitive cu resort si fluid

III. Dispozitive dependente de aceleratii

Dispozitive dependente de deplasare

Dispozitive care folosesc proprietatile de ductilitate ale materialelor.

Disiparea de energie se obine atunci cand metalul din dispozitiv este defomrat in domeniul

plastic. Energia este absorbita prin modificarea formei si cresterea temperaturii materialului deformat.

Elementele metalice pot avea diverse forme: pivot, semiluna, fluture, sina, placa triunghiulara

sau X, scopul comun al acestora fiind acela ca elementele sa se plastifice cat mai uniform.

Disipatori histeretici de energie bazati pe extrudare

Prin extruziune se intelege procesul de deformare plastica la care se realizeaza curgerea fortata

a materialului metalic printr-un orificiu calibrat, sub actiunea unei forte. Din punctul de vedere al

modului de realizare al procesului de extruziune, aceasta poate fi clasificata in:

- etruziune directa la care sensul deformatiei principale coincide cu sensul fortei de extrudare;

- extruziune indirecta la care sensul deformatiei principale este invers sensului fortei de

extrudare.

Disipatori histeretici de energie bazati pe alunecarea cu frecare

Frecarea este un mod convenabil de a converti energia cinetica in energie termica si este

folosita in multe aplicatii: frane pentru automobile, trenuri, biciclete, etc. Frecarea insoteste alte forme

de disipare a energiei la dispozitivele prezentate pana acum. Caldura si microdeformarea suprafetelor in

contact care determina disiparea de energie sunt efectul frecarii interne.

Exista o mare varietate de amortizori cu frecare cu diverse materiale folosite pentru suprafetele

de frecare, cum ar fi : otel sau otel pe alama si alte materiale. Amortizorii cu frecare sunt utilizati

frecvent in cadrul zabrelelor diagonale, dar pot fi plasati in orice pozitie orizontala intre capatul superior

al unui perete si grinda de deasupra sa. Exemple de amortizori cu frecare utilizati ca sisteme de control

pasiv:

- amortizor cu frecare de tip PALL;

- dispozitiv de amortizare cu frecare tip DAMTECH;

Principalele avantaje ale amortizorilor cu frecare:

- simplitatea din punctul de vedere al materialelor, realizarii si implementarii;

- eficienta in reducerea pagubelor datorate cutremurelor;

- economie din punct de vedere al costurilor si timpului de instalare;

- felxibilitatea aplicarii la structurii din beton, otel, zidarie si cadre din lemn;

- in lucru au deplasari limitate;

- controlul flambajului in contravantuirile comprimate;

- sensibilitate scazuta la schimbari ale conditiilor de mediu;

- valori mari ale energiei disipate raportate la valori mici ale deplasarilor;

- posibilitatea de reutilizare.

Dezavantaje:

- necesitatea unei intretineri regulate, datorita faptului ca prin utilizare, interfata de frecare

poate suferi modificari in comportarea sistemului;

- uzura mecanica a suprafetelor de contact dupa numeroase cicluri de incarcare;

- dificultati in identificarea fortei de frecare dupa instalare;

- imperfectiuni ale suprafetelor;

Amortizorii cu frecare sunt in general parti componente ale sisstemelor de contravantuiri si se pot refasi

in diverse tipuri de contravantuiri, cum ar fi contravantuiri incrucisate, contravantuiri diagonale sau

contravantuiri excentrice.

Dispozitive dependente de viteza

Dispozitivele disipatoare de energie bazate pe deformarea materialelor vasco-elastice.

Utilizarea materialelro vasco-elastice la controlul vibratiilor a inceput inca din anii 1940 cand au

fost utilizate pentru prima data la aeronave, pentru a controla vibratiile induse de oboseala in fuselajul

avionului (1949).

In 1969 au aparut primele uilizari in inginerie civila, cand au fost instalati 10.000 de disipatori

vasco-elastici in fiecare din cele doua turnuri ale World Trade Center din New York pentru a imbunatati

comportarea la actiunea vantului. Au urmat apoi alte aplicatii similare la cladiri inalte in Statele Unite ale

Americii si in alte tari.

Utilizarea disipatorilor vasco-elastici in ingineria seismica a inceput destul de recent. In domeniul

seismic este necesara disiparea unei cantitati mult mai mari de energie induse decat in situatia

incarcarilor din vant. Mai mult, energia de intrare intr-o structura cuprinde o arie mare de frecventa,

necesitand astfel o folosire mai eficienta a materialelor vasco-elastice. Prima consolidare a unei cladiri

existente folosind disipatori vasco-elastici s-a realizat in Statele Unite ale Americii in anul 1993, in urma

unor ample studii analtice si experimentale.

Materialele vasco-elastice folosite in aplicatii structurale sunt, de obicei, elastomeri, care

disipeaza energia cand sunt supusi la deformatii din forta taietoare.

Dispozitive disipatoare de energie cu fluid vascos

Dispozitivele de disipare energetica cu fluide vascoase pot fi utilizate in mod eficient pentru a

obtine nivelul dorit de control pasiv. Aceste dispozitive au fost folosite inca inainte de 1900 pentru a

prelua reculul tunurilor. In decursul timpului au fost perfectionate in secret pentru a le imbunatati

performantele in aplicatii militare.

In ultimii ani s-au dezvoltat mai multe tipuri de disipatori cu fluide pentru utilizarea in catrul

sistemelor structurale , pentru protectie seismica, sau la vant. In acest caz, disiparea are loc prin

transformarea energiei mecanice in caldura, pe masura ce lichidul vascos este comprimat cu ajutorul

unui piston.

Avantaje :

- disipatorul cu lichid vascos este compact si usor de instalat, putand lucra singur fara

echipamente auxiliare;

- la dimensiuni mici, poate disipa forte mari;

- nu sunt costisitoare si nu necesita intretinerea;

- rezista foarte mult in timp, chiar in zone cu activitate seismica ridicata.

La dispozitivele cu fluide energia este disipata cand fluidul este obligat sa treaca cu viteza prin orificii de

iesire cu diametrul mic. Energia este absorbita apoi prin turbionare si in final prin cresterea temperaturii.

O a doua posibilitate consta in deformarea unui fluid vascos aflat intr-un recipient deschis.

Pentru a mari eficenta acestor dispozitive trebuie folosite fluide cu o vascuozitate mare, ceea ce, in mod

curent, determina alegerea unor materiale a caror comportare este influentata puternic de frecventa

excitatiei si de temperatura.

Amortizori magneto-reologici (MR)

Amortizorul cu fluid magneto-reologic este un dispozitiv de control semnificativ pe baza unui

fluid controlabil care aduce amortizorului cateva caracteristici speciale. Fluidul, numit magneto-reologic,

consta intr-o suspensie de microparticule intr-un lichid purtator, cum ar fi uleiul sintetic, apa sau uleiul

siliconic. Cand este expus unui camp magnetic, patriculele capteaza un moment bipolar ce este aliniat

campului extren rezultand formarea unui lant de particule paralel cu campul.

Proprietatea principala a acestui fluid este abilitatea de a se modifica reversibil dintr-un lichid

vascos cu o curgere libera liniara intr-un semisolid avand rezistenta la curgere controlabila, totul

realizandu-se intr-un timp de ordinul milisecundelor.

Dispozitivele care folosesc fluid magneto-reologic pot fi clasificate ca functionand astfel:

- in modul supapa;

- in modul tangential direct;

- in modul strivire;

- combinatie a primelor 3 moduri.