UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI

COMPORTAREA TURNURILOR METALICE LA ACTIUNI SEISMICE

Cuprins 1.Introducere.Generalitati privind turnurile.Descrierea turnurilor

2.Considerarea actiunii seismice in literatura de specialitate

3.Standarde si coduri de proiectare pentru turnuri

4.Concluzii 5.Bibliografie.

1.Introducere.Generalitati privind turnurile.Descrierea turnurilorIn categoria constructiilor inalte se includ siturnurile,alaturi de piloni pentru antene de radio si televiziune, stalpii pentru liniile electrice aeriene, cosuri de fum, turnuri pentru priza de aer sau pentru evacuarea gazelor.Constructiile inaltese caracterizeaza prin raportul mare dintre inaltime si dimensiunea sectiunii transversale.Structurile inalte sunt supuse la actiunea unor importanteforte orizontaleprovenind din vant, cabluri si conductoare orizontale actionand unilateral, si actiuni seismiceIncarcarile verticaleprovin din greutatea proprie a structurilor metalice, a utilajelor si altor incarcari utile, cum sunt lichidele din rezervoare, vizitatorii de pe platforme, antenele si instalatiile asezate la diferite niveluri, chiciura asezata pe elementele constructiei.Structurile constructiilor inalte pot fi realizatecu zabrelesaucu sectiune plina, in forma tubulara, cilindrica sau tronconica.Figura 1: Turn pentru priza de aerTurnurileau peretii realizati dinstructuri cu zabrele plane sau spatiale, solidarizati intre ei cu diafragme.Diafragmele au rolul : de a asigura nedeformabilitatea constructiei metalice, de a prelua solicitarile de rasucire, pentru sustinerea unor platforme si podeste.Turnurilese pot realiza si cu pereti plini sub forma de panza cilindrica sau conica.Avand in vedere ca turnurile sunt de fapt stalpi independenti foarte inalti, caracteristicile lor constructive sunt similarestalpilor.Structurile in forma de turnsunt prinse direct in fundatiefiind portante prin alcatuirea lorTipuri de turnuriA.Din punctul de vedere al formei in elevatie, turnurile pot fi :1.cu sectiune constanta pe inaltime2.cu sectiune variabila pe inaltimea.cu variatie continuab.cu variatie in trepteB.Sectiunea transversala poate fi patrata, triunghiulara sau rotunda (fig. 4).

Figura 4: Sectiuni in turnuriTurnurilepentru sustinerea antenelor de radio se fac cu sectiune patrata sau triunghiulara, deci cu patru sau trei ramuri legate cu zabrele; in elevatie turnul prezinta o largire la baza, rezultata dintr-o inclinare constanta a ramurilor sau din asezarea nodurilor pe o curba. Latirea sectiunii verticale a turnului spre baza mareste rigiditatea turnului si corespunde mai bine variatiei momentelor date de fortele orizontale (fig. 5).b)a)Figura 5: Sectiuni pentru turnuri radioa -turn cu sectiune in plan patrata; b -turn cu sectiune in plan triunghiulara

Figura 8: Turnuri metalice pentru telecomunicatii 2. Considerarea actiunii seismice in literatura de specialitate Turnurile autoportante pentru telecomunicatii sunt proiectate sa reziste la incarcarile din mediul inconjurator precum vant,zapada,chiciura,de obicei fara a considera si actiunea seismica.Totusi,in cazul anumitor turnuri de importanta foarte mare,beneficiarii pot solicita ca turnurile sa ramana operationale,sau macar sa nu sufere colaps in cazul producerii unui cutremur sever.In literatura de specialitate exista prescriptii prin care se recomanda uneori,cand este necesara proiectarea turnurilor zabrelite autoportante pentru telecomunicatii la actiuni seismice,sa se realizeze o analiza dinamica detaliata utilizand superpozitia/suprapunerea modala . In anul 1994 s-a studiat raspunsul seismic al turnurilor autoportante pentru telecomunicatii utilizand analiza modala.Pentru studiu,au fost analizate 6 turnuri cu inaltimi cuprinse intre 20 m si 90 m;modelarea acestora s-a facut fara a tine seama de prezenta antenelor ai a altor componente auxiliare.A fost efectuata un calcul dinamic linear detaliat utilizand suprapunerea modala si s-a ajuns la concluzia ca prin considerarea exclusiva a primelor 4 moduri de vibratie, precizia calcului este satisfacatoare. Ca o concluzie,efectele componentei verticale ale acceleratiei terenului din timpul unui cutremur s-au dovedit a fi neglijabile pentru turnurile cu zabrele pentru telecomunicatii. Prima incercare de realizare a unui calcul static echivalent i-a apartinut lui Galvez(1995).Metoda propusa de acesta are la baza suprapunerea modala,dar considerand efectele primelor 3 moduri de vibratie de tip torsiune ale turnului.Plecand de la ipoteza ca turnurile cu zabrele se comporta ca niste console verticale,Galvanez a propus utilizarea frecventelor naturale si a formelor proprii descrise de niste console cu sectiune rectangulara(prismatice).Efectele date de forma conica reala a turnului si de deformatiile din forta taietoare au fost considerate prin intermediul unor factori de corectie aplicati formulei lui Euler pentru console. A fost efectuata simultan o analiza dinamica detaliata utilizand 45 de accelerograme pentru a certifica rezultatele metodei propusa de Galvanez,pentru 3 turnuri cu inaltimi de 90,103 si 121m.Pornind de la rezultatele calculului dinamic,au fost propuse profile simplificate ale acceleratiei de raspuns seismic a turnului,functie de raportul A/V(acceleratie de varf a terenului raportata la viteza) al accelerogramei.Distributia fortelor inertiale in metoda Galvez se determina prin simpla inmultire a profilului de acceleratie cu profilul masei.(model dinamic cu masa continua).Structura a fost apoi analizata sub actiunea acestor forte de inertie statice echivalente.Desi simplu de aplicat,metoda nu a oferit intotdeauna rezultate satisfacatoare pentru starea de eforturi din structura.Pentru montatii turnului,metoda ofera valori mai mari-mai conservative ale eforturilor,sufiecient de precise pentru o proiectare preliminara.Totusi,rezultatele nu au fost de incredere,pentru celelalte bare dispuse diagonal si pe orizontala.

Intr-o anexa a Programului National American TS13 de prevenire a hazardului din seism pentru alte structuri decat cladiri,s-a propus o formula pentru turnurilor autportante pentru telecomunicatii .Se recomanda ca acestia sa fie proiectati pentru a rezista unei forte laterale seismice V,aplicata in centrul de greutate al turnului ,si calculata pe baza relatiei:

,unde

V=forta laterala;Sa1=acceleratie spectrala de proiectare specifica amplasamentului,la T=1 secunda.I=factor de importanta(I=1 pentru turnurile obisnuite,I=1.25 pentru turnurile de importanta critica);W=greutate totala a turnului,incluzand greutate tuturor echipamentelor atasate;R=factor de modificare a raspunsului;T=perioada fundamentala de vibratie a turnului,in secunde;Aceasta ecuatie s-a dorit sa fie similara ecuatiilor pentru forta taietoare de baza maxima data in majoritatea codurilor de proiectare a cladirilor.Totusi,provenienta acestei ecuatii nu este cunoscuta foarte bine.De asemenea,in aceasta abordare este considerat numai primul mod de vibratie,cel fundamental,aspect care contravine recomandarilor din 1994 (si mai tarziu ale lui Galvez si McClure),care au demonstrat ca si contributiile modurilor 2 si 3 de torsiune sunt de cele mai multe ori de neneglijat.

3. Standarde si coduri de proiectare pentru turnuri In editia sa din 1994 ,standardul canadian CSA S37-94 pentru antene,turnuri si structuri care sustin antene, a introdus o anexa prin care reglementa calculul seismic al turnurilor cu structura zabrelita.In aceasta anexa se mentioneaza ca intrucat cele mai multe turnuri metalica au frecvente inalte comparativ cu a frecventei predominante din timpul unui cutremur,este putin probabil ca efectele seismelor sa fie semnificative.Anexa recomanda asadar sa fie realizata o analiza a frecventei naturale a turnului,astfel incat sa fie identificat un interval de frecvente pentru care turnul este sensibil.Daca acest interval are puncte comune cu continutul de frecvente generat de incarcarea dinamica ,este necesar sa se realizeze o analiza dinamica detaliata;aceasta analiza va fi de tip suprapunere modala a raspunsurilor doar in cazul turnurilor autoportante cu amortizare vascoasa avand fractiuni cuprinse intre 1% si 3% din amortizarea critica. Standardul australian AS 3995-1995,Proiectarea turnurilor metalice cu zabrele,de asemenea are o anexa (C),care cuprinde indrumari cu caracter general pentru proiectarea acestor structuri la cutremure.In aceasta anexa se mentioneaza ca in cazul turnurilor autoportante cu inaltimi de pana la 100m,fara concentrari semnificative de masa,nu trebuie calculate la seism.Pentru turnurile cu inaltimi si mase semnificative,de peste 100 m,sau mai putin,dar avand mase concentrare foarte mari,este sugerat ca pot fi expusi la forte taietoare de baza mari si momente de rasturnare asociate incarcarii de proiectare din vant(maxime).Totusi,acest standard nu ofera indicatii despre cum sa fie estimat raspunsul turnului. Eurocodul 8 Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures ENV 1998-3, aloca o sectiune separata turnurilor autoportante, turnurilor ancorate si cosurilor de fum. Aceasta sectiune contine o serie de cerinte generale de conformare, evaluarea actiunii seismice, modalitati de modelare si metode de analiza.Ca si filozofie de proiectare, codul urmareste ca in cazul actiunii seismice de cod ,turnul sa ramana functional si sa nu reprezinte un pericol pentru cladirile din zona. Totusi, codul nu prezinta interes pentru avarierea componentelor nestructurale.O parte distincta este dedicata modelarii matematice,cu includerea efectelor de rocking si de rigidizare la translatie ale fundatiei.Pentru turnurile de sustinere a liniilor electrice,codul cere in mod special includerea in model a unei sectiuni liniare a cel putin 4 cabluri pentru a obtine o evaluare accepatabila a interactiunii turn-cabluri.Codul ofera de asemenea o metoda simplificata de analiza,utilizand spectrele de proiectare ,in care forta taietoare de baza este calculata utilizand urmatoarea expresie:

aceasta valoare este apoi distribuita pe inaltimea turnului utilizand relatia:

unde: Wi=greutatea asociata masei i; hi =inaltimea la nivelul masei i masurata de la baza structurii; Sd=ordonata spectrului de proiectare corespunzatoare perioadei fundamentale; T=perioada fundamentala de vibratie a turnului;Codul stipuleaza totusi ca aceast mod de calcul este limitat la structurile de mica importanta,cu inaltimi mai mici de 60m.Codul permite ca mod de calcul atat analiza pe baza de suprapunere modala cat si analiza neliniara. Codul international The Uniform Building Code 1997 dedica si el o sectie speciala proiectarii la seism a structurilor ingineresti;totusi pentru turnurile metalice zabrelite acest cod nu prescrie un mod de calcul diferit fata de cel al cladirilor.De remarcat totusi ca si filozofie de proiectare este ca in cazul producerii cutremurelor majore, nu se urmareste limitarea avariilor sau periclitarea functionalitatii turnului,ci prevenirea pierderilor de vieti omenesti sau colapsul structurilor foarte importante. In fine,intr-un raport din 1998 al comisiei pentru calcul antiseismic din cadrul asociatiei pentru industria electronica si a telecomunicatiei EIA/TIA se fac o serie de recomandari pentru analiza seismica a turnurilor de otel pentru antene.Obiectivele comisiei au fost:sa defineasca o metodologie universala pentru calculul la seism al turnurilor,sa identifice ipotezele de calcul care sa conduca la un proces de proiectare cat mai simplu,dar si mai acoperitor,sa ofere metode eficiente-ce pot sa fie aplicate-in cazul in care se doreste un calcul mai riguros si sa indice caracteristicile turnurilor pentru care este sau nu necesar o analiza a raspunsului la seism.Pe scurt,metodologia este similara codului propus de UBC in 1997,plecandu-se de la o forta taietoare de baza,a carei expreise se calculeaza pe baza relatiei:

;si ;unde: V=forta taietoare de baza pentru proiectare;Z=factor de zonare seismica;I=factor de importanta,1.25 pentru structurile importante si 1 pentru cele obisnuitel;W=incarcarea permanente totala;S=coeficient functie de amplasament;T=perioada fundamentala de vibratie in secunde;In acelasi mod prescris de UBC,forta taietoare de baza este apoi distribuita pe inaltimea turnului .De asemenea,criteriile propuse de comisie pentru a evalua necesitarea efectuarii unui calcul la seism s-au bazat pe comparatia intre valorile fortelor taietoare din actiunea vantului si din cea a cutremurelor;din acest studiu s-a ajuns la concluzia ca este putin probabil ca efectele induse de cutremur sa fie mai severe decat cele produse de vant;de observat totusi ca analiza la seism s-a facut dupa aceleasi relatii ca in codul UBC,fapt care ridica semne de intrebare asupra relevantei concluziilor formulate de acestia.

Figura9. Colapsul unui turn de otel pentru sustinerea liniilor de curent de inalta tensiune la cutremurul din Chi-Chi,Taiwan.

4.Concluzii

Turnurile autoportante pentru telecomunicatii au fost putin studiate din punct de vedere al comportarii la actiuni seismice. De asemenea, aplicarea directa a metodelor de calcul dezvoltate pentru alte structuri,in vederea evaluarii raspunsului seismic al turnurilor, nu ofera o analiza completa. Calculul static utilizat pentru determinarea sistemului de forte statice echivalente se compune din succesiunea urmatoarelor etape: 1.Se determina perioadele de vibratie asociate primelor 3 moduri de torsiune ale turnului; 2.Se evalueaza distributia masei pe inaltimea turnului si se concentreaza masele la nivelul nodurilor; 3.Se defineste un spectru de proiectare pentru amplasamentul turnului; 4.Se determina valorile pseudoacceleratiilor pentru fiecare din perioadele asociate celor 3 moduri de torsiune luate in calcul; 5.Se determina valorile acceleratiei de raspuns 6.Se inmultesc masele concentrate in noduri cu acceleratiile orizontale corespunzatoare si se obtine profilul fortelor laterale de inertie echivalente; 7.Se analizeaza turnul din punct de vedere static utilizand sistemul de forte statice echivalente ca incarcare exterioara. Din studiile realizate s-a mai observat un fenomen interesant:prin adaugarea unor mase concetrate de pana la 10% din masa totala a turnului,acestea reprezentand antene sau alte dispozitive auxialiare,forta taietoare de baza se reduce cu cca 20%, fata de cea pentru un turn fara echipamente atasate. Aceasta descoperire este cumva contrara gandirii intuitive, cum ca prin adaugarea de mase fortele de inertie vor avea valori mai mari si prin urmare si forta taietoare de baza va creste.Explicatia aceste reduceri este ca prin adaugarea de mase semnificative, in special in apropierea varfului turnului, va produce o crestere a perioadei proprii de vibratie,micsorand astfel valorile ordonatelor spectrale ce se obtin pe baza spectrului de proiectare. Totusi, amplasarea de antene grele tinde sa produca eforturi locale mari in barele turnului, aceasta crestere tinzand sa se propage si mai jos, functie de marimea masei antenelor. 5.Bibliografie: [1] STESSA 2000- Behaviour of Steel Structures in Seismic Area -Robert Tremblay, Federico Mazzolini [2]SR EN 1998-6 Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur -Partea 6 :Turnuri, piloni si cosuri de fum[3] V. Popescu Constructii metalice industriale, EDP, Bucuresti, 1974 [4]www.studentie.ro/download.php?id_referat=16000[5]http://www.ce.tuiasi.ro/~cci/UTI%20website/Caps5.pdf [6] Australia Standards AS 3995 Design of Steel Lattice Towers and Masts; [7]CAN/CSA-S37 Antennas,Towers,and Antenna-Supporting Structures [8] Galvez and McClure A simplified Method for Aseismic Design of Self Supporting Lattice Telecommunication Towers