probleme avansate de dinamica si inginerie seismica 2

7/26/2019 Probleme Avansate de Dinamica Si Inginerie Seismica 2

1/21

EFECTE . EXEMPLE . CONCLUZII

INFLUENTA SISTEMELOR DE

AMORTIZAREASUPRASTRUCTURILOR

SUPUSE LA ACTIUNI SEISMICE


2/21

1: Introducere

1.1. Contextul lucrarii

Cutremurele reprezint unul dintre cele mai mari pericole ale naturii, la via , de pe

aceast planet i, de-a lungul timpului, au distrus nenumrate ora e i sate, pe aproape fiecare continent. Ele sunt, cele mai de temut, fenomene naturale, cunoscute de om, faptcauzat de cutremurele majore, ce au avut loc in trecut, producand distrugerea aproapeinstantanee a cldirilor i a altor structuri. Ca i n cazurile, alunecrilor de teren, cutremurele provoca, de asemenea, si pierderi de vieti omenesti prin daunele pe care leinduc n structuri, cum ar fi cldiri, baraje, poduri si alte constructii. Din pcate, multe dintrecutremure se produc brusc fara avertizare, acesta fiind unul dintre motivele pentru careingineria seismica este complexa.

n medie, aproximativ !"" de cutremure de mare magnitudine au loc n fiecare

deceniu #$%%.iris.edu&. 'proximativ 1"-!"( din aceste cutremure au loc in largul oceanuluii, prin urmare, nu provoca probleme pentru a ezrile umane. 'ltele au loc n zonele

nepopulate avand rareori efecte negative asupra oamenilor. )roblema apare atunci c*nd uncutremur love te zonele foarte populate. Din pcate popula ia, la nivel mondial, este intr-o continua crestere, ceea ce conduce la cresterea sanselor de aparitie a unui cutremur cupagube materiale cat si umane. +a nceputul secolului, unul din trei mari cutremure provocapagube umane, acum acest procent a crescut la doua din trei mari cutremure, ingrijoratorfiind faptul ca acest procent este intr-o continua crestere si nu prezint semne de atenuare.

nele dintre problemele majore legate de proiectarea la seism, sunt create prin

conceptul aritectural,ales de ctre aritect. ici un inginer nu poate transforma cu adevrato construc ie ,prost conceputa din punct de vedere arcitectural, ntr-o cldire rezistent lacutremur. )agubele ce au avut loc n timpul evenimentelor seismice demonstreaz n modclar c forma unei cldiri este crucial pentru modul n care aceasta rspunde. 'specteleideale legate de forma unei construc ii sunt simplitatea, regularitatea i simetria atat in plan cat si in elevatie. 'ceste propriet i, toate contribuie la o distribu ie mai previzibil a for elor n structur , n timp ce orice neregularitati , de orice natur ,pot conduce la un raspunsdinamic nefavorabli, cel pu in n anumite loca ii ale structurii. De asemenea cldirile, ce au naltimea mult mai mare decat amprenta lor la sol, vor genera momente rasturnare foarte

mari n timp ce cldirile cu o amrenta mare la sol nu pot ac iona cum era de a teptat din cauza diferen elor de comportament al solului, care nu sunt ntotdeauna previzibile. 'cestlucru duce la actiuni diferite , ale seismului , in anumite parti ale constructiei. /orsiuneaprovocata de mi carea la sol ar putea fi de mare ngrijorare datorit excentricit ii n structura cldirii. De exemplu, n cazul n care centrul de greutate nu se afl n aceea ipozi ie ca i centru de rigiditate ,se va crea un moment de torsiune n jurul axei verticale, la care constructia va fi proiectata.. n scopul de a ob ine un rspuns seismic, satisfctor alunei structure ,pot fi identificate trei metode ca fiind practice i eficiente. 'cestea sunt0

Izolarea;

Absorb ia de energie la articula ii plastice ;

Utilizarea de dispozitive mecanice pentru a asigura un control structural;

~ 1 ~


3/21

)rimul tip, metoda de izolare structural este foarte eficienta, dar scumpa i dificilde efectuat )rincipiul din spatele izolarii este de a scimba perioada naturala a structurii,prin decuplarea acelei structuri de la mi carea la sol i, prin urmare, de a reduce for a de iner ie la care structura trebuie s reziste. 'cest lucru se face prin introducerea unui materialabsorbant de energie ,ntre infrastructura i suprastructura, ceea ce va reduce cantitatea de

for elelor seismice transmise. n structurile tradi ionale, supuse la nt*mplare la incarcari imprevizibile, sunt prevzute articula ii plastice. 'ceste articula ii plastice , care sufer odeformare inelastic sunt n general concentrate la nivelul imbinarilor grind-stalp i suntprimele elemente structurale ce sufera deformatii.

)e de alt parte, instala iile mecanice de absorbtie a energiei , care sunt cele maipromi toare i pe care acest studiu s-a concentrat, absorb energia seismului , reducand considerabil efectele negative asupra componentelor critice ale structurii . Dupa cutremuraceste amortizoare, care nu sprijin structura, sunt nlocuite , prsesc cldirea n starebun, dar, inc o dat, costul este un factor important.

Exist dou tipuri de control structural, prevzut prin adugarea de unor dispozitivemecanice de control, activ i pasiv . Controlul activ necesit o surs de alimentare pentru aactiva amortizoarele i, prin urmare, n timpul evenimentelor seismice sursa de alimentarear putea fi perturbata , conducand la oprirea dipozitivelor mecanice . Din acest motiv,amortizoare cu , control activ,au fost testate pe cldiri nalte supuse la ncrcari din vant cesunt mult mai previzibile decat cele cauzate de cutremure. )e de alt parte, sistemele dedisipare a energiei , passive , au aprut ca dispozitive speciale, care sunt ncorporate ncadrul structurii cu rolul de a absorbi o parte din energia seismic de intrare. Ca urmare,cererea de disipare a energiei asupra elementelor structurale primare este adesea

considerabil redus, mpreun cu poten ialul de deteriorare structural .

ig.1.1.Exemplu de dispozitive tipice de disipare a energiei , pasive

(Based on Soong T. T. et al., 1997)

~ 2 ~


4/21

2deea de a utiliza dispozitive separate pasive de disipare a energiei ntr-o structurpentru a absorbi o mare parte din energia seismic , a nceput cu conceptual iexperimental de 3ell4 et al. #156!&. 'stzi, exist diferite tipuri de amortizoare pasivedisponibile 7off te self8. 'cestea folosesc o varietate de materiale pentru a ob ine diferiteniveluri de rigiditate i de amortizare. 'ceste amortizoare au a fost revizuite de 9oong i

Dargus #1556&, Constantinou et al. #155:&, 94mans i Constantinou #1555&, 9ade; #1555&i 9oong i 9pencer #!""!&. nele din acestea includ materiale viscoelastice #


5/21

2) Dispozitive de disipare a energiei suplimentare:

9isteme de disipare a energiei pasive 0 9isteme semi-active i active0

@ amortizoare metalice? @ sisteme de contrav*ntuiri active?

@ amortizoare cu frecare? @ clapete masice active ?@ amortizoare


6/21

!.!. Dispozitive de disipare a energiei pasive

olul izolarii seismice i a sistemelor de disipare a energiei este de a reducerspunsul structural la actiunile din seism, v*nt i alte sarcini dinamice. 'ceste dispozitive,care sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de sisteme de control al mi crii, pot

absorbi o parte din energia indus n structura, reduc*ndu-se astfel deformarea structurali deformrile inelastice. 9istemele de control la care am facut referire anterior, pot fi pasive

sau semi-active, respectiv, sistemele care nu necesit nici o putere de alimentare dinexterior i sistemele care necesit un minim de alimentare din exterior pentru a functiona.

9istemul de control pasiv dezvolt for e de control la punctele de fixare alesistemului. )uterea necesar pentru a genera aceste for e este asigurat de mi carea punctele de fixare n timpul actiunii dinamice. >i crile relative ale acestor puncte deata are determin amplitudinea i direc ia for elor de control. )e de alt parte, un sistem de

control activ dezvolt for e de control ale mi crii. Cu toate acestea, amploarea i direc ia acestor for e sunt determinate de un controler bazat pe informa ii de la senzori i strategia de control i sunt furnizate de sistemul de control activ. n sistem de control activ ar trebui,n principiu, sa furnizeze un rspuns mai versatil, cu toate acestea, are nevoie de o surs dealimentare pentru a fi activat i, prin urmare, poate fi nedemn de ncredere n timpulevenimentelor seismice n cazul n care puterea de aprovizionare ar putea fi perturbata.

n sistem semi-activ de control, n general, provenit de la sistemele de controlpasive, care au fost modificate pentru a permite ajustarea propriet ilor mecanice #prinforfecarea fluidului v*scos, orificii cu fluid de frecare sau alunecare&. )ropriet ile mecanice

a sistemelor de control semi-active pot fi reglate printr-un regulator. 9ursa de puterenecesar pentru sistemul de control semi-activ este de obicei foarte mic si la distantefoarte mici.

ig. !.!. Exemplu de sistem de control semi-activ

(Based on Kobori et al., 1995)

~ 5 ~


7/21

2n ultimele dou decenii, o mare varietate de dispozitive de disipare a energiei au fostdezvoltate pentru a spori siguran a i pentru a reduce deteriorarea n timpul actiunii unui cutremur. 'ceste dispozitive utilizeaz o gam larg de materiale i tenologii ca mijloc decre tere a amortizarii, rigiditatii i a caracteristicilor de rezisten ale structurilor. Disiparea energiei poate fi realizat fie prin transformarea energiei cinetice in caldura sau prin

transferarea energiei ntre modurile vibratoare.

!.!.1. Dispozitive isterezis de disipare a energiei

Exista o varietate de dispozitive de disipare a energiei isterezis dezvoltate pentru aspori protec ia structural. Cele mai multe dintre aceste dispozitive genereaz o bucldreptungiulara isterezis #fig. !..&, ceea ce indic faptul c au un comportament defrecare. Cele mai simple modele ce au un comportament isterezis implic rela iaalgebric dintre for i deplasare. )rin urmare, sistemele isterezis sunt adesea

caracterizate ca fiind dependente de deplasare.

ig. !.. Curbe idealizate de for -deplasare ale dispozitivelor isterezis

(Based on Soong et al., 1997)

n general, dispozitivele isterezis disipeaz energia printr-un mecanism care esteindependent de rata de frecven de ncrcare, numrul de cicluri de ncrcare, sau varia ia de temperatura. 2n plus, dispozitivele isterezis au o rezisten ridicat la oboseal.

Dispozitivele isterezis includ amortizoare metalice care folosesc caracterul elasto-palstic almetalelor ca mecanism disipativ, si amortizoarele cu mecanism de frecare care genereazcldur prin frecare. 'mbele tipuri de dispozitive sunt n mod inerent neliniare, caracteristicace trebuie luata in considerare atat n analiza structural c*t i n proiectare. De asemenea,trebuie remarcat faptul c disiparea energiei are loc numai dup ce o anumit for de prageste dep it.

!.!.1.1. 'mortizoare metalice

'mortizoarele metalice utilizeaz comportarea isterezis a metalelor n domeniulinelastic. or ele rezistente ale amortizoarelor, n consecin , depind de caracteristicile

~ 6 ~


8/21

neliniare ale materialului metalic. F mare varietate de dispozitive de amortizare careutilizeaz forfecare, ndoirea i deformarea materialului n intervalul plastic au fostdezvoltate i testate. Caracteristicile cele mai dorite pentru aceste dispozitive suntcomportamentul stabil isterezic, ciclu redus la oboseala, fiabilitate pe termen lung, iinsensibilitate fa de scimbarile de temperatura. n plus, aceste dispozitive sunt relativ

ieftine i propriet ile lor vor rm*ne stabile de-a lungul vie ii structurii. Dezavantajele acestor dispozitive sunt numrul lor limitat de cicluri i rspunsul lor neliniar.

ig. !.. Dou exemple de amortizoare metalice n form de G

(Based on Whittaer et al., 1991)

ig. !.H. 'mortizor metalic de forma triungiulara i curba sa isterezis

(Based on Tsai et al., 1997)

~ 7 ~


9/21

ig. !.H. 9istem de fixare din o el

(Based on T!ler et al., 19"5)

9istemele de fixare sunt fabricate din bare de o el rotund pentru contravantuiri si unotel mai elastic pentru gulerul rectangular din centru. 9tructura au fost dezvoltate n ouaIeeland #9;inner i colab, 15:". /4ler, 15:H&. Energia este disipat prin deformareainelastic a gulerului rectangular pe diagonal sub tensiunea exercitata de contravantuiri,a a cum se arat n ig. !.H.

ig. !.J. Dou exemple de dispozitive de amortizare prin extrudarea plumbului

(Based on #obinson et al., 19"7)

~ 8 ~


10/21

'mortizorul cu extrudare de plumb #+ED-uri& reprezint o alt clas de amortizoare,care utilizeaza propriet ile isterezis de disipare a energiei specifice metalului. )rocesul deextrudare const dintr-un piston for *nd plumbul printr-o gaur sau un orificiu, conducand lascimbarea formei acestuia. +ED-urile au fost mai nt*i sugerate de obinson et al., #15:6&,ca un dispozitiv de disipare a energiei, pasiv, pentru structuri isolate la baz din oua

Ieeland. Dup cum se poate observa din ig. !.J, exist dou tipuri de +ED-uri introdusede obinson. )rimul dispozitiv const dintr-un tub cu pere i gro i i un arbore coaxial cu un piston. 2ntre capetele pistonului pe tubul cu pereti grosi ezista o gatuire i spa iul dintre capetele de piston este umplut cu plumb. 'rborele central se extinde dincolo de un capt altubului. 'tunci c*nd are loc de excita ie extern, pistonul se deplaseaz de-a lungul tubuluiiar plumbul este for at s extruda nainte i napoi prin orificiul format de gatuirea tubului.

'l doilea tip de +ED-uri este similar cu primul, cu excep ia faptului c orificiul deextruziune este format de o umfltur pe arborele central. 'rborele este sus inut de lagre,care servesc, de asemenea, la mentinerea pozitiei plumbului. 'tunci cand axul sedeplaseaza plumbul trebuie s extruda prin orificiul format de umfltura i tub.

ela ia de sarcina-deformare a +ED-urilor este stabil i nu este influen at de numrul de cicluri de ncrcare. 'cestea au o via lung i nu trebuie s fie nlocuite sau reparate dup un cutremur, deoarece plumbul din amortizor revine la starea nedeformatdup excita ie. Dispozitivele de extrudare la plumb sunt insensibile la condi iile de mediu i efectele mbtr*nirii.

!.!.1.!. Dispozitive de amortizare prin frecare

F mare varietate de dispositive de amortizare prin frecare au fost dezvoltate iinstalate n diverse structuri. 'mortizoarele cu frecare pot oferi un mecanism de disipare aunei cantitati mari de energie i au caracteristici de performan foarte bune. Comportamentul este mai pu in afectat de frecven a ncrcarii, numrul de cicluri de ncrcare, sau scimbrile de temperatur.

'mortizoarele cu frecare uniaxial, fabricate de 9umitomo >etal 2ndustries +td.,utilizeaza un design u or mai sofisticat. 'rcul pre-comprimat intern exercit o for care este transformata prin ac iunea interioar i exterioar, ntr-o for normal pe tampoane de frecare. 'ceste plcu e de frecare din aliaj de cupru con in inser ii de dopuri din grafit, care ofer lubrifiere uscat. 'cest lucru ajut la men inerea unui coeficient de frecare constantntre tampoane i suprafa a interioar a carcasei din o el inoxidabil.

ig. !.6. 'mortizor cu frecare uniaxial#Bazat pe 9umitomo >etal 2ndustries +td 155!&

~ 9 ~


11/21

'i;en i 3ell4 #155"& au indicat c reac iile acestor amortizoare sunt extrem de regulate i repetabile cu bucle isterezis dreptungiulare. >ai mult, efectul de frecven a, de ncrcare i de amplitudine, numrul de cicluri, sau temperatura ambiental, a fost raportatca fiind nesemnificativ pentru rasunsul amortizoarelor. educerea deplasrilor, cu toateacestea, depinde de mi carea la sol, deoarece amortizoarele cu frecare nu sunt active i nu

disipa energia pentru for e cu intensitate mica.

'mortizorul cu frecare 79umitomoK a fost investigat de 'i;en i 3ell4 in 155!. 'utoriau efectuat incercari experimentale si numerice ale acestui amortizor, instalat pe un cadrudin o el de 5 etaje, la scara 10, la care s-au dispus doua brate de cuplare sub forma


12/21

ig. !.5. 'mortizorul cu disipare a energiei de retinere #ED&

(Based on luor *aniel, &n+., 199)

'mortizorul cu suruburi glisante, propus de itzgerald et al., #15:5&, se poate vedean ig.!.1". 'cest amortizor, permite alunecare s aib loc n conexiunile cu uruburi.Conexiunea este formata din guseu, ce are un canal pe mijloc, dou plci de acoperirespate n spate, la care avem dispuse cate un canal de lunecare pentu fiecare, i uruburile cu aibe. 2nterfa a de alunecare const din o el.

ig. !.1". /rei exemple de conexiuni cu uruburi glisante

(Based on it-gerald et al., 19"9, rigorian et al., 199, and /onstantinou 1991)

~ 11 ~


13/21

!.!.1.. 'mortizoarele vascoelastice #


14/21

>ulte tipuri de teste, la actiuni seismice, pe cadre din o el i din beton armat, cu amortizori in #!""&. 2n fiecare dintre aceste studiiexperimentale, amortizoarele


15/21

v*scosa, au dezvluit reduceri de rspuns de JJ p*n la :"(. F cldire, din beton armat cu etaje, prevazuta cu pere i de amortizare v*scoasa a fost construita n /su;uba, Maponia i din acel moment, a fost monitorizat rspunsul acesteia la cutremur. )ere ii de amortizare, culicid


16/21

'u fost propuse si dezvoltate numeroase tipuri de amortizoare v*scoase, alcatuitedin diferite tipuri de materiale i parametri de amortizare diferiti, pentru protec ie seismic. 'ceste amortizoare posed un comportament liniar-v*scos, atunci c*nd for a de rspunseste propor ional cu viteza, asadar design-ul structural este n general simplu. 9tudiileexperimentale i analitice ale cldirilor ecipate cu amortizoare v*scoase fabricate de/a4lorDevices, 2nc. au fost efectuate de +ee i /a4lor #!""!&. Ei au afirmat c adugareaamortizoarelor v*scoase disponibile n prezent ntr-o structur ar putea oferi amortizare decca. H(.

ig. !.1J. 'mortizoare cu arce elastomerice

(Based on Ta!lor *evi+es, &n+., 199")

ntr-un studiu realizat de )ong #155&, a indicat faptul c dezavantajul major alfolosirii amortizoarelor cu fluid


17/21

!.!.1.. 'mortizoare de vibra ii dinamice

'mortizoarele de vibra ii dinamice au fost examinate n mai multe studii numerice i

experimentale. n scopul de a reduce energia seismica, indusa in structura, amortizoare devibra ii dinamice implic masa, rigiditatea i amortizarea. Caracteristicile lor trebuie s fie eglate cu cele ale structurii primare. Cei mai populari reprezentan i ai acestei categorii dedispozitive sunt 'mortizorul 'rmonic 7Tuned Mass Damper #/>D& i 7 Tuned LiquidDamper#/+D&.

ig. !.1:. )rincipiul de functionare al amortizorului />D

(Based on 2bbas et al., 199")

/>D const dintr-o mas, care se deplaseaz n raport cu structura i este ata at de acesta printr-un arc i un amortizor D i este absorbit de componenta dispozitivului deamortizare. />D de obicei sufera deplasri mari.

9istemele />D ncorporate ntr-o structur, n care primul mod de rspunsulstructural domin, este de a teptat s fie foarte eficient. eglarea optim i amortizare care au ca rezultat energia maxim absorbit au fost studiate de mai multi investigatori.9istemele />D au fost gsite eficiente n reducerea rspunsului structuriii la v*nt incrcri armonice i au fost instalate n mai multe cldiri. ezultatele numerice i experimentale arat c eficacitatea sistemului />D privind reducerea rspunsului aceleia istructuri sub diferite excita ii ale seismului sau a unor structuri diferite, n cadrul aceluia i cutremur difera considerabil. Ca rezultat, nu exist un acord general cu privire la eficacitateasistemelor />D pentru aplicatii seismice.

~ 16 ~


18/21

9istemele de amortizare cu licid #/+D& i sistemele de amortizare ce utilizeazacoloane de licid #/+CD&, au un impact similar cu sistemele />D prin amortizarea indirectaa sistemului mbunt ind astfel rspunsul structural. /+D produce disiparea prin intermediulac iunilor fluidului v*scos i unda de rupere a valurilor. n cazul /+CD, energia este disipat prin trecerea licidului printr-un orificiu cu caracteristici de pierdere a capilaritatii inerente.

9istemele /+D #fig. !.15& constau n rezervoare rigide umplute cu licid, undeenergia este absorbit de mi carea reversiva a licidului i este disipata prin ac iunea v*scoasa a licidului. /+D-urile au mai multe avantaje fata de />D-urile descrise anterior,acestea fiind urmatoarele0

educerea, simultana, a mi crii n dou direc ii? u este necesar nici un mecanism de activare?

Cost minim de ntre inere?

u necesita lungimi de cursa mari?

9istemele /+D nu sunt foarte sensibile la raportul de frecven real ntre sistemulprimar i sistemul secundar. Cu toate acestea, masa relativ mica de licid, comparativ cumasa mare a sistemelor />D, necesit spa ii mai mari pentru a ob ine acela i efect de amortizare. 9istemele /+CD con in recipiente tubulare umplute cu licid, care sunt fixaterigid de structura. Energia este disipat prin deplasarea licidului din tub printr-un orificiu.recven a de vibra ie a aparatului poate fi reglat prin scimbarea lungimea coloanei de licid #9a;ai, 15:5&. /+CD-urile sunt relativ simplu de pus n aplicare n cldirile existente,

deoarece acestea nu interfereaz cu directiile verticale i orizontale ale sarcinilor. /+CD-urile nu necesit foarte mult spa iu, amortizarea este crescut prin ajustarea descideriiorificiului.

ig. !.15. Cladiri cu sisteme /+D si /+CD

~ 17 ~


19/21

(/r!stal To3er din /hi+ago)

ig. !.!". 'mortizoare /+CD amplasate in pereti

(Based on Su$ito$o /onstru+tion /o$0an!, 1999)

!.!.1.H. 'mortizoare prin transformare de faz

'mortizoarele prin transformare de faz sunt dispozitive de disiparea a energiei,care includ onou clas de material, men ionate ca aliaj cu memorare a formei #9>'&.nele dintrecele mai promi toare caracteristici ale acestui aliaj, sunt0

rigiditate mare pentru tensiuni mici #ncrcare elastic&?

rigiditate redus pentru tensiuni intermediare #datorit formrii martensitei&? are rigiditate la o tensiune mare #ncrcare elastic martensitei&?

Din moment ce starea superelastica, afi eaz n mod ideal, un efect de istereziscu reziduri de tensiune aproape nule, un dispozitiv de absorb ie a energiei realizat din acestmaterial, teoretic ar furniza un mecanism de auto-centrare. 'lte propriet i atractiveassociate 9>' includ insensibilitatea lor la temperatura mediului ambiant, rezisten a lor laoboseal i la coroziune. 'ceste metale sunt capabile s produc for e de control mari, n pofida timpului de rspuns lent. Deoarece cele mai multe structuri au de a face cu uncon inut de frecven joas, este posibil s se profite de aceste metale, fr prea mult

compromis.

~ 18 ~


20/21

ig. !.!1. aspunsul tensiune -deformatie a aliajui cu memorare a formei

(Based on 'i, . and Sa$ali, B., )

De i nu au avut loc aplica ii structurale reale, lucrri de cercetare intensiv i experimentale au fost efectuate de ctre 9amali i $u #!"""&. ezultatele acestor

investiga ii sunt mai mult dec*t ncurajatoare, cu toate acestea, aceste rezultate, deasemenea, au relevat faptul c 9>' este foarte sensibil la tipul de excita ie ale cutremuruluii isi poate scimba rigiditatea i, prin urmare, provoaca modificarea, primei, frecven e

naturale a structurii spre frecven a dominant a cutremurului. Din aceste motive, estenecesar o atentie deosebita asupra design-ului pentru toate implementrile 9>' n controlulstructural.

!.!.1.J. 'mortizorii ibrizi

Caracteristicile amortizoarelor v*scoase si


21/21

ig. !.!1. 'mortizor 4brid cu frecare-etodolog4 for Design of ., #1555&. 7Fptimal )lacement of D

probleme avansate de dinamica si inginerie seismica 2

Documents