atenuare a raspunsului seismic structural -st

Concepte moderne de atenuare a răspunsului seismic structural 2013

1

Intocmit: Dr. Ing. Flavia – Simona Florea

Concepte moderne de atenuare a răspunsului seismic structural Pe baza criteriilor de performanŃă, proiectarea tradiŃională se caracterizează prin

acceptarea formării articulaŃiilor plastice în elemente structurale în mod controlat, cu alte cuvinte, se acceptă ca în urma unui cutremur major, structura să prezinte avarii importante, fără a pune în pericol vieŃile oamenilor. Este însă foarte posibil ca după un astfel de cutremur construcŃia să fie atât de avariată, încât costurile reabilitării acesteia să fie enorme, poate chiar mai mari decât costul iniŃial al clădirii .

Energia indusă de seism este transformată în energie cinetică şi energie potenŃială, care trebuie disipate prin căldură. Prin proiectarea tradiŃională energia este prevăzută a fi absorbită prin deformaŃia plastică elementelor structurale, acceptându-se astfel degradări remanente mari în elemente şi implicit costuri foarte mari de consolidare după seism. Conceptele moderne de proiectare prevăd includerea în sistemul structural a unor dispozitive de amortizare, care au ca scop reducerea cerinŃei seismice din elementele structurale (Florea 2012-2).

Metodele tradiŃionale de consolidare a structurilor existente au scopul de a îmbunătăŃi rezistenŃa, rigiditatea şi ductilitatea sistemului structural, iar metodele inovative de modificare a sistemului structural au rolul de atenuare e efectului forŃelor seismice (Florea 2013).

Metodele inovative implică introducerea în structură a sistemelor de disipare de energie – pasive, active, semi-active, sau izolarea bazei. Sunt metode eficiente de reducere a efectelor negative ale seismului asupra structurilor, nu necesită în general tehnologii greoaie de execuŃie, nu necesită perioade lungi de timp sau suspendarea funcŃionalităŃii clădirii. Principalele dezavantaje ale acestor metode sunt faptul că implică metode de calcul avansate, care nu se folosesc in proiectarea curentă şi sunt mult mai costisitoare (Florea 2013).

Reducerea cerinŃei la o construcŃie prin introducerea de amortizori diferă de metoda izolării bazei din următoarele considerente: dacă pentru eficacitatea izolării bazei trebuie mărită perioada proprie a structurii, amortizorii acŃionează pe întreaga înălŃime a construcŃiei şi au ca scop reducerea cerinŃei prin disiparea de energie, neavând întotdeauna efect direct asupra perioadei proprii a structurii. Sistemul de izolare lucrează în serie cu structura, în timp ce amortizarea la nivel de structură lucrează în paralel cu aceasta. Un sistem de izolare absoarbe energia şi filtrează mişcarea înainte ca aceasta să treacă în sistemul structural. Pentru o structură care are amortizare, toată energia trece prin sistemul combinat care apoi disipă această energie în funcŃie de caracteristicile fiecărei componente (Florea 2012-2).


2

Sistemele de control al răspunsului structural îmbunătăŃesc comportarea la solicitările seismice prin cresterea amortizarii, necesară disipării energiei cinetice transformată din energia indusă de seism.

O caracterizare generală a acestor dispozitive poate fi făcută din punctul de vedere al mecanismului de amortizare care poate fi dependent de deplasare, de viteză, de acceleraŃie sau al unei combinaŃii dintre acestea,

Clasificarea sistemelor de control al raspunsului structural :


3

1.1.SISTEME PASIVE DE CONTROL AL RĂSPUNSULUI SEISMIC

Un sistem de control pasiv constă din unul sau mai multe dispozitive, atașate sau

înglobate în structură, care nu necesită o sursă de putere externă pentru punerea sa în funcșiune și utilizează mișcarea structurii pentru producerea forșelor controlate (Frumosu 2011).

Amortizorii pasivi preiau o parte din energia cinetică produsă de seism prin diferite metode, care acționează în paralel sau în serie cu sistemul, astfel se reduce deplasarea relativă de nivel, iar accelerația de răspuns ți forțele tăietoare de bază sunt mai mici, rezultând cerințe de ductilitate structurală scăzută (Frumosu 2011).

Amortizorii pasivi nu adaugă forțe suplimentare în structură, dar majoritatea depind de condițiile de mediu, proprietățile lor se modifică în timp ți după un număr de cicluri de utilizare, e posibil să fie necesară înlocuirea acestora în cazul în care au suferit avarii.

1.1.1. Amortizori histeretici (metalici) (Florea 2013). Amortizorii metalici disipă energia seismică, prin deformare plastică, folosind

proprietăŃile de ductilitate ale materialulelor din care sunt realizaŃi. De-a lungul timpului s-au studiat aceşti amortizori cu diferite forme şi din diferite materiale (diferite tipuri de oŃel, aluminiu, plumb, aliaje cu memoria formei), pentru a se gasi soluŃii optime de disipare a energiei seismice.

Consolidarea structurilor existente utilizând contravântuiri metalice prevăzute cu disipatori histeretici este o metodă inovatoare, deosebit de avantajoasă din următoarele considerente: se aduce un aport semnificativ de rigiditate laterală, rezistenŃă la forŃe orizontale şi capacitate de disipare a energiei, fără a a mări semnificativ masa structurii şi implicit forŃele de inerŃie din timpul unei solicitări seismice şi nu în ultimul rând, deşi este o metodă inovatoare, nu necesită costuri ridicate, putând fi utilizată în proiectarea curentă. De asemenea, diagonalele metalice prevăzute cu disipatori histeretici au avantajul de a fi implementate cu uşurinŃă, mai ales pe exteriorul clădirii, fără a fi afectată funcŃionalitatea clădirii. Un alt avantaj este faptul că această metodă de consolidare nu necesită intotdeauna intervenŃii la nivelul fundaŃiilor. Introducerea diagonalelor metalice cu disipatori nu aduce o mărire semnificativă a forŃelor gravitaŃionale, dar trebuie realizată o verificare la forŃe orizontale a fundaŃiilor corespunzătoare cadrelor în care s-au introdus diagonalele metalice.

Principalul dezavantaj se referă la faptul că după un seism major, după ce disipatorii au intrat în lucru, adică s-au deformat plastic, trebuie înlocuiŃi.


4

1.1.2. Dispozitive cu fricŃiune (frecare) Disiparea de energie se realizează prin frecarea a două sau mai multe suprafeŃe de

contact, fixate cu şuruburi de înaltă rezistenŃă, care alunecă unele în raport cu altele la o forŃă predeterminată.

Există mai multe tipuri de amortizori cu fricțiune, având diverse materiale folosite pentru suprafețele de frecare, cum ar fi oțel pe oțel sau oțel pe alamă sau alte materiale, sau conform numelor autorilor de brevete de invenție ți anume : Pall (inventator anadian), Sumitomi (firmă japoneză Sumitoro Metal Industries), Damptech (firmă daneză), SERB etc. Toate acestea cu excepția: Legăturii exterioare de energie Fluor Daniel (EDR-Energy Dissipating Restraint) ți SERB, generează curbe histeretice cdreptunghiulare. (Frumosu 2012)

Disipatorii cu frecare au performanțe foarte bune ți comportamentul lor nu este afectat semnificativ de amplitudinea încărcării, frecvența sau numărul de cicluri încărcare-descărcare. Dispozitivele se diferențiază prin complexitatea mecanismul folosit ți prin materialele folosite pentru suprafețele ce alunecă între ele. . (Frumosu 2012)

Dezavantajul lor, ca şi în cazul disipatorilor metalici, constă în costurile de întretinere, necesitând întreŃineri regulate. Un alt dezavantaj este uzura mecanică a suprafeŃelor de contact după un anumit număr de cicluri de încărcare.

1.1.3. Dispozitive cu fluid vâscos Amortizorii vâscoți funcționează prin rezistența opusă la mițcarea unui piston

perforat într-un fluid conținut într-un cilindru metalic, absorbind în felul acesta țocurile după modelul binecunoscut al amortizoarelor folosite în construcția de automobile. Este construit din oțel inoxidabil ți alte materiale durabile pentru a avea o durată de viață garantată de 60 de ani. Fluidul vâscos este silicon, ulei sau alt fluid cu vâscozitate controlabilă care este un fluid inert, neinflamabil, netoxic, ți foarte stabil pentru un timp îndelungat. Acest tip a fost folosit de mai bine de 40 de ani atât în interes militar cât ți comercial. (Frumosu 2012)

Disiparea de energie se realizează prin amortizarea dată de curgerea fluidului prin gaurile capului pistonului.

Dezavantajele utilizării acestui tip de amortizor sunt următoarele : - Costuri ridicate ; - Nu conferă rigiditate structurii, ci doar amortizare (nu influenŃează rigiditatea structurii şi perioada proprie de vibraŃie);

- Fluidul din interiorul amortizorului are o durată de viaŃă de regulă mai mică decât cea a structurii în care este introdus, datorită uzurii acestuia. 1.1.4. Disipatori cu masă acordată (Farfara 2012)


5

Sistemele de amortizare cu masă acordată sunt alcătuite (la nivel teoretic) dintr-o masă, un resort ți un amortizor, ți sunt folosite pentru reducerea vibrațiilor. Frecvența ți amortizarea acestor sisteme sunt acordate în ața fel încât, atunci când structura intră în rezonanață la o anumită frecvență (perioadă), TMD-ul (Tuned Mass Damper - Amortizor cu Masă Acordată) oscilează cu aceeați perioadă, dar defazat față de structură; astfel energia se transmite de la sistemul primar (structură) la cel secundar (TMD) ți se disipa în amortizor. Cea mai mare eficiență la transferul energiei de la sistemul primar către cel secundar se obține atunci când acesta din urmă oscilează defazat față de primul cu un unghi de fază egal cu 90°. În acest caz accelerația sistemului secundar oscilează în fază cu viteza celui primar.

Raghu S. (2010) prezintă schema de principiu a unui sistem unidirecțional de amortizare cu masă acordată la mițcări de translație. Masa este ațezată pe rulmenți ce îi perimit să se translateze lateral relativ la planțeu. Între masă ți suporții laterali sunt introduse resoarte ți amortizori, care transmit forța laterală „defazată” către planțeu ți mai apoi către grinzi ți stâlpi. Amortizoarele bidirecționale de translație au în componență resoarte ți amortizoare dispuse pe două direcții ortogonale, oferind astfel control structural în ambele direcții.

Fig. 13.Schema de principiu a unui amortizor cu masă acordată. (Raghu, 2010)

1.2. Sisteme active de control al răspunsului seismic Un sistem de control activ este definit ca un sistem care necesită o sursă de putere externă

mare în scopul de a controla actuatorii care aplică forțe de control într-o manieră prescrisă. (Frumosu 2012)

Disipatorii active utilizează actuatori (mecanisme) care trebuie cuplaŃi la o sursă de energie, împingând structura în sens invers forŃelor inerŃiale. Actuatorul este controlat de senzori montaŃi pe structură, care trimit informaŃia unui aparat de comandă (calculator).

Exemple de sisteme active: - amortizori cu masă lichidă acordați; - amortizori activi;


6

- masă acordată activă; -materiale inteligente (piezoelectrice, fluide electroreologice, magnetoreologice, etc). Principalele dezavanteje ale acestor sisteme sunt : dependenŃa de o sursă exterioară de

energie, costuri ridicate datorită sistemului în sine destul de complicat, necesitarea unui control permanent.

1.3. Sisteme hibride de control al răspunsului seismic Un sistem de control hibrid este realizat prin folosirea combinată a sistemelor de control

activ ți pasiv sau a două sisteme passive.

2. Metode care modifică acŃiunea asupra sistemului structural Izolarea bazei (Farfara 2012)

Problema de bază a inginerului proiectant ce trebuie să asigure o rezistentă sporită la

cutremur unei clădiri, este cum să minimizeze driftul ți accelerațiile de nivel. Drifturile mari produc avarii elementelor nestructurale ți echipamentelor care interconectează etajele. Drifturile pot fi diminuate prin rigidizarea structurii dar acest lucru conduce la amplificarea mițcării terenului care, conduce mai departe, la accelerații de nivel mari ce pot de asemenea afecta echipamentele. Accelerațiile de nivel pot fi reduse prin flexibilizarea structurii, însă acest lucru conduce la drifruri mari ți astfel se descrie o „buclă infinită”. Singurul mod practic de a reduce simultan driftul ți accelerațiile de nivel este izolarea bazei; doarece asigură flexibilitatea necesară fără drifturi mari, deplasările concentrându-se la nivelul de izolare.

Conceptul de izolare a bazei este relativ simplu în sine. Sistemul decuplează clădirea sau structura de componentele orizontale ale mișcării terenului prin interpunerea unor elemente cu rigiditate orizontală scăzută între structură și fundație. Aceasta conferă structurii o perioadă mult mai mare decât dacă ar avea bază fixă și decât perioada predominantă a mișcării. Primul mod de vibrație al structurii izolate implică deformații doar la nivelul sistemului de izolare, structura de deasupra rămânând, conform scopului propus, rigidă. Modurile superioare care produc deformații în structură sunt ortogonale cu primul și cu mișcarea terenului. Sistemul izolator nu absoarbe energia cutremurului ci, mai degrabă, o deviază (refractă) prin dinamica sistemului; acest efect nu depinde de amortizare însă, este necesar un anumit nivel de amortizare pentru a evita posibila rezonanță la frecvența de izolare.

atenuare a raspunsului seismic structural -st

Documents