reabiliatre structurala + final

Universiatea Tehnică “Gh. Asachi” Iasi – Master R.C.S.C – Bordeuţ Vasile Lucian

Reabilitarea unei construcţii se referă la readucerea in stare activa, prin refacere, a

anumitor functiuni ale acesteia care au fost deteriorate in procesul de exploatare din diverse

cauze. Reabilitarea constructiilor este o preocupare permanenta a inginerilor constructori.

Explicatia acestui fapt este asociata atat cu degradarile care pot apare in timp, ca urmare a

fenomenului de imbatranire a materialelor, cat si de efectele unor acţiuni extraordinare. Astfel

seismele, vantul, alunecarile de teren, incendiile, inundatiile, exploziile, agentii chimici si

procesele tehnologice sunt numai o parte din factorii care pot produce avarii. O alta cauza,

care tinde sa aiba chiar ponderea cea mai mare, se refera la dinamica modificarilor

functionale din contextul actual.

In mod curent se intalnesc degradări ale constructiilor cauzate de imbatranirea

materialului prin depasirea duratei de viata, aparitia fenomenului de oboseala, curgere lenta,

fluaj si din incarcari altemante sau din actiunea unor agenti chimici.

Sunt numeroase cazurile cand avariile constructiilor sunt datorate degradiirii terenului

de fundare prin cresterea nivelului panzelor freatice, lipsa masurilor de protectie in cazul

pamanturilor sensibile la umezire si a pamanturilor cu umflari si contractii mari, infiltratia

apelor . pluviale si tehnologice sau infiltratia apelor ca urmare a intretinerii defectuoase a

instalatiilor de alimentare cu apa, de canalizare si de incalzire.

Nu sunt de neglijat nici greselile de proiectare care pot impune procesul de reabilitare,

cum ar fi situatiile cand inginerul proiectant accepta sisteme structurale improprii, ca produs

al creatiei arhitecturale, sau cazurile cand beneficiarul schimba ulterior destinaţia constructiei

şi rezulta o subevaluare a incarcarilor.

Uneori, in procesul de proiectare pot apare si erori conceptuale referitoare la

alcatuirea structurala, de modelare sau chiar de calcu. Foarte frecvente sunt si greselile de

executie, cand sunt utilizate materiale de calitate inferioara, nu se respecta proiectul sau

tehnologiile de punere in opera. Pot apare deficiente prin solicitarea elementelor structurale

inaintea atingerii parametrilor de rezistenta ai materialelor sau prin efectuarea lucaririlor pe

timp friguros fara masuri adecvate. Indirect, constructiile pot fi avariate si de o serie de

factori externi cum ar fi: cresterea traficului din zona, realizarea unor constructii noi sau

degradarea sistemelor de infrastructura, cum sunt canalizarile, aductiunile de apa.

In industrie sunt numeroase procese tehnologice cu degajari de substante chimice

agresive (exemplu clorul, sulful etc.) care pot accelera procesul de degradare, mai ales daca

umiditatea este excesiva si lipsesc sistemele de ventilare. Uneori modificarile tehnologice pot

1


conduce la cresterea nivelului de agresivitate chimica sau la cresterea nivelului vibratiilor.

Totodata sunt cunoscute numeroase cazuri de degradari provocate de avarierea utilajelor si

instalatiilor industriale.

Actiunea seismica ramane insa una dintre cele mai importante cauze generatoare de

degradari ale constructiilor, cele mai vulnerabile fiind cladirile vechi, la care nu au fost luate

masuri specifice de protectie. Uneori numarul mare de seisme inregistrate pe durata vietii

unei constructii duc la pierderea capacitatii portante ca urmare a oboselii materialului. Dar cel

mai grav este atunci cand apar actiuni seismice extraordinare, nespecifice amplasamentului,

care pot cauza distrugeri in masa.

Modificarea functionalitatiii sau schimbarea destinafiei constructiei, chiar fara

existenta avariilor, impune reabilitarea structurala pentru a avea siguranta in exploatare.

Reabilitarea structurala poate fi realizata prin:

schimbarea destinatiei cladirii;

inlocuirea sau modificarea partiala a constructiei;

refacerea structurala locala;

modificarea structurala

Toate aceste modalitati de reabilitare sunt strict legate de starea constructiei si de

posibilitatilele tehnice si economice de interventie. Schimbarea de destinatiei este posibila

numai in cazul cand sistemul structural nu este putemic afectat, iar prin trecerea intr-o clasa

inferioara de importanta sunt satisfacute cerintele de siguranta. Inlocuirea sau modificarea

partiala poate insemna eliminarea definitiva a unei parti a constructiei sau, daca sistemul

structural permite, refacerea integrala a unor parti din constructia avariata. Refacerea

structurala locala este aplicabila in situatia in care numai anumite elemente ale structurii sunt

avariate si pot fi aplicate masuri obisnuite de interventie. In acest mod, schema statica a

structurii nu se modifica iar prin interventie se reface capacitatea portanta a elementelor

avariate.

Modificarea structurala poate fi inteleasa in mai multe moduri:

introducerea unor elemente constructive adiacente care impreuna cu structura

existenta formeaza un alt sistem structural;

schimbarea conceptului structural prin alte procedee care pot conduce la cresterea

2


sigurantei in exploatare, cum ar fi izolarea bazei pentru structurile amplasate in zone

seismice.

In reabilitarea structurala trebuie parcurse o serie de etape:

1. expertizarea clădirii care consta in:

a. relevarea starii sistemului structural,

b. diagnosticarea starii materialelor utilizate,

c. diagnosticarea experimentala,

d. diagnosticarea analitica a structurii;

2. stabilirea masurilor de interventie si proiectarea lor;

3. executia reabilitiirii structurale (consolidării);

4. diagnosticarea experimentala a sistemului reabilitat.

O parte din aceste etape nu sunt totdeauna obligatorii, ele fiind determinate de stare a

constructiei, de importanta acesteia, de măsurile de interventie stabilite de specialisti si

părerile lor.

Atunci cand betonul este supus unor temperaturi ridicate o perioada indelungata de timp se

produce imbatranirea accelerata si materialul devine mult mai fragil. Un exemplu in acest

sens este c1adirea unei fabrici de cartoane, unde cuptoarele au fost amplasate prea aproape de

stalpii centrali, fara masuri de izolare termica, fig.1 - Efectul a fost cedarea stalpilor in

momentul producerii unei actiuni seismice puternice.

In industrie exista utilaje care produc vibratii, iar lipsa unor masuri de izolare locala poate

genera slabirea imbinarilor dintre elementele structurale. Un exemplu in acest sens este

cladirea unui combinat chimic destinat producerii de materiale plastice. Astfel, recipientul de

barbotare a materialului plastic a fost amplasat, din conditii tehnologice, la primul nivel al

constructiei, fig.2. Dupa o perioada de circa 15 ani de functionare imbinarile dintre

elementele prefabricate au cedat, crescand astfel nivelul de vibratii din structura la o valoare

periculoasa. Prin introducerea unui esafodaj de sustinere a recipientului, fundat independent

de structura, s-au eliminat complet vibratiile, iar prin dispunerea unor reazeme flexibile a

crescut si randamentul utilajului, fig.2.

3


Efectul a fost cedarea stalpilor in momentul producerii unei actiuni seismice puternice

Esafodaj de sustinere recipient

4


5


Unele centrale termoelectrice construite in Romania in perioada anilor '50-'60 au sala

cazanelor conceputa astfel indit structura cazanelor sustine si acoperisul halei. La primele

cazane construite nu s-a tinut seama de nivelul actiunii seismice, astfel ca dupa cutremurul

din 1977 la una din centrale o contravantuire si-a pierdut stabilitatea, fig. 1.4. In consecinta,

grinda cu zabrele a fost antrenata de cazan iar efectul cel mai important a fost cedarea

legaturilor cu corpul intermediar al clădirii. De cele mai multe ori greselile de conceptie

structurala sunt puse in evidenta atunci cand apar actiuni extraordinare.

Măsurile de reabilitare structurală, curent utilizate in practică, au in vedere cresterea

capacitatii portante a elementelor sau cresterea capacitatii de disipare energetica, daca este

vorba de structuri amplasate in zone seismice. O prima posibilitate de diminuare a cantitatii

de energie indusa de seism in structura este aceea a cresterii capacitiilii de disipare a energiei,

diferita de cea bazata pe incursiuni inelastice ale structurii, prin intermediul unor dispozitive

speciale. Acest procedeu este utilizat din ce in ce mai mult la reabilitarea structurilor din zone

seismice.

6


Fig.3 Comportarea unei structuri cu amortizare suplimentara

Fig. 4 – Executie fundatie deasupra cotei de inghet(cedare vitrină)

Daca se face bilantul numai a cutremurului din 4 martie 1977, in conditiile in care se

analizeaza numai constructiile care au avut la baza norme de proiectare si tehnologii

modeme, se constata o diversitate de cauze care au generat degradarea si chiar prabusirea

unor constructii. Exc1uzand faptul ca actiunea seismica utilizata in proiectare nu acoperea tot

spectrul de caracteristici dinamice, se evidentiaza numeroase alte cauze ale degradarilor si in

special cele conceptuale. Dintre acestea se menţioneaza in mod deosebit lipsa masurilor

pentru oblinerea unei ductilitati corespunzatoare pentru elementele structurale. Desi

exemplele sunt numeroase, se mentioneaza numai blocul de locuinte in cadre din beton armat

de la Valea Călugărească, fig. 5. Construcţia a fost conceputa cu parter flexibil, cu destinatie

comercială, iar celelalte trei niveluri pentru locuinţe. Lipsa etrierilor la stalpii parterului a

generat caderea acestora si reducerea constructiei cu un nivel.

7


Fig. 4 – Cedare din actiune seismica a stalpilor unei constructii insuficient fretati

Fig. 1.14 Structura cu elemente de rigidizare

8


Prin introducerea in lucru a unor elemente, rigiditatea structurii se modifica cotinuu in

raport cu o anumita deplasare impusa elementelor de cuplare. Astfel, cantitatea de energie

care se induce difera, fiind functie de rigiditatea, respectiv de caracteristicile dinamice ale

structurii. In plus, prin capacitatea de decuplare a unor legaturi, are loc o disipare de energie

ca masura suplimentara de crestere a sigurantei in exploatare.

Disiparea energiei introdusa de seism in structura se poate obtine si cu ajutorul unor

sisteme inertiale. Masa este amplasata pe un sistem de role care ii permite deplasarea libera,

fiind in acelasi timp cuplata de structura prin intermediul unor resoarte. In cazul deplasarii

structurii, masa ramane in repaos, generand forte de revenire ale structurii prin intermediul

resoartelor.

Sunt multe situatii in care proprietarul, beneficiarul sau administratorul unei

constructii are obligatia sau dorinta de a cunoaste starea c1adirii si de a evalua capacitatea sa

de a rezista la diverse actiuni, fapt care poate fi cauzat de degradiirile aparute in structura de

rezistenta ca urmare a vechimii sale sau de diversele modificari si transformari functionale

sau tehnologice care necesita interventii.

Evaluarea starii unei constructii implica verificarea si cercetarea stiirii acesteia de

catre un specialist cu temeinice cunostinte in domeniu, recunoscut/atestat oficial de

autoritatea publica, numit expert. Expertiza unei constructii se incheie cu o lucrare denumita

raport de expertizii in care sunt

consemnate constatarile, conc1uziile si propunerile expertului privind starea constructiei si

deciziile de interventie cele mai potrivite din punct de vedere tehnic si economic necesare a fi

luate de beneficiar.

Cele mai intalnite situatii de initiere a unei expertize sunt:

9


1. schimbarea destinatiei constructiei sau a unei parti din incaperi a acesteia datorita mai

multor cauze si anume:

a. modificarea functionalului (amenajarea sau crearea de subsoluri, supraetajiiri

si mansardări, desfiintarea sau practicarea de goluri in peretii structurali, de

rigidizare, de inchidere sau de compartimentare).

b. Inlocuirea, imbunatatirea proceselor tehnologice din c1ăirile destinate

industriei, schimbarea si-au reamplasarea echipamentelor, modificarea

incarciirilor utile, modificarea caracteristicilor utilajelor, cresterea nivelului

vibratiilor, schimbarea traseelor instalatiilor etc.;

2. aparitia de defecte (vicii) la structura de rezistenta din cauza unor greseli de

proiectare, a executiei necorespunzatoare sau a exploatarii (intretinerii) defectuoase a

constructiei, precum si degradarii.

3. tasarilor inegale ale terenului de fundare, coroziunii, condensului, fenomenelor de

inghet-dezghet, diferentelor mari de temperatura, modificarii in timp a rezistentei si

capacitatii de deformare a materialelor de constructie, efectelor oboselii materialelor,

vibratiilor si traficului;

4. sesizarea de catre organismul-persoana care exploateaza cladirea sau de catre

inspectorii autoritalii publice a situatiilor in care unele elemente structurale sunt

subdimensionate sau ca incarcarile de exploatare sunt mult mai mari decat cele de

proiectare;

a. aparitia unor imprejurari in care constructii sau tehnologii alaturate cladirii pot

cauza acesteia diverse degradari (de exemplu, un castel de apa avariat se poate

prabusi peste constructiile invecinate);

b. aparitia unor avarii importante datorita calamitatilor naturale (vanturi

putemice, inundatii, alunecari de teren, prabu~iri de mine sau de cavitati,

cutremure) sau altor cauze (incendii, explozii).

Un caz deosebit il reprezinta constructiile amplasate in regiuni seismice pentru care

actele normative din multe tan impun ca toti proprietarii sa efectueze evaluarea starii

(expertizarea) structurilor de rezistenta ale constructiilor care au fost supuse unor actiuni

seismice putemice. Cu acest prilej se stabilesc gradul si modalitatile de asigurare a

constructiilor in conformitate cu normele/codurile de proiectare in vigoare si eventuale

masuri de interventie pentru cresterea nivelului de siguranta la actiunea seismica.

Reabilitarea seismica a cladirilor istorice trebuie precedata de o bogata documentare,

de o atenta evaluare a acestora si a amplasamentului pe care se gasesc precum si de o

10


planificare minutioasa a intregii activitati de reabilitare. Toate acestea fumizeaza date cu

privire la istoricul cladirii, la cei care au locuit in ea, la utilitatile pe care le-a avut de-a lungul

timpului si, cel mai important lucru, ofera indicii referitoare la ceea ce trebuie reparat sau

pastrat pe durata reabilitarii si a elementelor asupra carora se poate interveni.

Documentarea include studiul istoricului si a evolutiei in timp a clairii din documente

scrise si fotografii, urmata de examinarea propriu-zisa a cladirii prin fotografierea

interiorului, exteriorului si a amplasamentului acesteia. De asemenea, se evalueaza

materialele initiale, caracteristicile acestora, fmisajele etc. precum si modificarile suferite in

timp. Aceste modificari pot face parte integranta sau nu din caracterul istoric astfel incat ele

trebuie analizate cu mare atentie inainte de inceperea operatiei de reabilitare si pentru a

decide care elemente necesita repararea si care trebuie inlocuite.

La intocmirea proiectului de reabilitare se stabilesc care materiale, elemente

caracteristice si finisaje trebuie protejate pe durata reabilitarii si se hotaraste ordinea logica de

desfasurare a operatiei de reabilitare.

Protejarea unui edificiu istoric se bazeaza in parte pe conservarea materialelor de

constructie, a caracteristicilor care asigura caracterul istoric si arhitectural al intregii cladiri.

Aceste insusiri difera de la o cladire la alta si se refera la materiale (piatra, caramida, lemn,

gips, alama), trasaturi caracteristice exterioare (porticuri, elemente decorative, ferestre,

acoperisuri), spatii interioare (vestibule, auditorii, sali) etc.

Inainte de inceperea reabilitarii, trebuie identificate deci acele materiale si

caracteristici care sunt importante si trebuie conservate pe durata reabilitarii.

a. evaluarea starii unei constructii se face in etape succesive, din ce in ce mai

complexe, pentru o cunoastere cat mai amanuntita si mai exacta a conditiilor in care se afla si

functioneaza elementele componente structurale si nestructurale ale cladirii;

b. procesul de evaluare se desfaoara, in general, pe mai multe niveluri:

stabilirea date lor initiale din analiza documentatiilor existente privind constructia ~i

din prescriptiile tehnice valabile la data executiei, relevee etc.,

evaluarea preliminara calitativa, prin observari directe (in situ), analize vizuale,

inspectii la fata locului,

evaluari calitative suplimentare, amanuntite, pnn sondaje, decopertari etc.,

evaluarea preliminara aproximativa analitica,

evaluari analitice detaliate, de complexitate ridicata;

11


procedurile de evaluare mentionate pot fi abordate independent de una sau succesiv,

cate doua sau mai multe, functie de informatiile si datele obtinute in etapele

anterioare.

Evaluarile initiale confera primele date despre starea constructiei si a structurii de

rezistenta pe baza carora expertul si/sau beneficiarul pot hotari continuarea evaluarilor

detaliate, suplimentare. Trebuie de mentionat ca aceasta decizie este stabilita si functie de

gradul de protectie preconizat pentru constructia expertizata.

Rezultatele evaluarilor sunt prezentate intr-un raport de expertiza care include

recomandarile si propunerile de interventie (de exemplu reparatii, consolidari, schimbarea

destinatiei clMirii, demolarea partiaia sau totala) si, la cerere, studii privind costul

interventiilor.

Aplicarea succesiva a unor proceduri de evaluare din ce in ce mai evoluate si rafinate

se numesc "filtre" sau "site" iar aplicarea lor se realizeaza pe baza unei metode denumita

metodafiltrarilor succesive (screening method).

Datele initiale rezulta din informatiile obtinute urmare analizei documente1or

existente la beneficiar, proiectant, in arhiva: proiectul initial, cartea constructiei, studiul

geotehnic, baza de date privind urmarirea comportarii constructiei, informatii furnizate de

administratie privind exploatarea si comportarea la cutremurele anterioare sau la alte actiuni

neprevazute sau deosebite.

Datele initiale vor cuprinde:

perioadele proiectarii si executiei constructiei, numele proiectantilor si executantilor

lucrarilor,

destinatia constructiei, amplasament,

descrierea constructiei -deschideri, travee, numar de niveluri, structura de rezistenta si

dimensiunile geometrice ale principalelor elemente structurale, sistemul de

compartimentare, sisteme de inchidere si izolatii, finisaje,

masura in care proiectul respecta prevederile prescriptiilor in vigoare referitoare la

conformarea si alcatuirea constructiilor,

descrierea tehnologiilor de executie, durata si etapele de executie,

intervalul de exploatare a constructiei, interventii, reparatii si modificari ale

constructiei, anomalii, abateri si evenimente deosebite produse pe durata exploatarii

etc.,

12


caracteristicile materialelor din proiect (pentru beton -marca sau clasa, granulometria

agregatelor, tipul si calitatea cimentului, metoda de preparare etc., pentru armatura -

marca si tipul de otel, caracteristicile otelului rezultate din buletinele fumizorilor si

incercarile de pe santier etc., pentru otelul din confectiile metalice marca si tipul de

otel, fumizorii, buletinele de incercari efectuate in diverse laboratoare, suduri etc.),

rezumatul studiului geotehnic.

Evaluarea calitativa a unei constructii este prima etapa a expertizarii care se face

printr-o inspectie si examinare la fata locului pentru a i se stabili alcatuirea,

avariile/degradarile/defectiunile aparute si cauzele acestora.

Cu acest prilej se apreciaza daca sistemul constructiv analizat are asigurat gradul de

protectie corespunzator destinatiei si importantei constructiei, zonei seismice in care se afla,

actiunilor la care este supusa.

Urmare acestui fapt se identifica constructiile care au cu certitudine nivelul de

protectie impus, cele care in mod sigur prezinta risc seismic sau la alte actiuni si a celor care

au un grad de protectie incert, cu un risc potential la actiunile exterioare si care urmeaza a fi

examinate prin metode analitice.

Evaluarea calitativa se face urmarind proiectul de rezistenta si de arhitectura a

constructiei si, in lipsa acestora, pe baza releveelor care se executa odata cu evaluarea. Sunt

situatii in care elementele structurale nu sunt observabile, fiind ascunse de finisaje si izolatii

(termice, contra focului, fonice). De aceea sunt necesare decopertari sau desfaceri ale acestor

protectii pe unele portiuni pentru a se recunoaste elementele structurale. in general se

urmareste identificarea urmatoarelor componente:

elemente verticale: stalpisori si pereti din beton / beton armat, zidarii,

elemente principale si secundare ale plaeelor: placi, centuri, grinzi, rigle,

elemente de acoperis,

elemente prefabricate folosite si modul de imbinare,

sisteme de contravantuire,

scari, podeste,

elemente de inchidere si de compartimentare,

sistemul de fundare,

elemente de fmisaj si de izolare in masura in care sunt fixate de componentele

structurale.

axele tuturor elementelor, in plan orizontal si vertical,

deschideri, travee, inaltimi (cote) de nivel,

13


forma si dimensiunile sectiunilor elementelor,

armarea elementelor din beton armat,

pozitia si aldituirea imbinarilor dintre elementele prefabricate din beton armat,

pozitia si alcatuirea imbinarilor metal.

Concomitent cu depistarea (identificarea) elementelor se efectueaza si releveul

acestora. Releveul este sumar in cazul existentei documentatiei tehnice si mai detaliat in lipsa

proiectului. In orice situatie, relevarea constructiei permite stabilirea pozitiei si dimensiunilor

reale ale elementelor structurale si nestructurale si a faptului daca constructia a suferit

modificari pe durata exploatarii cu si fara documentatie intocmita si aprobata de organismele

competente.

Evaluarea calitativa urmareste de asemenea stare a tehnica si de conservare a

elementelor si stabilirea defectiunilor, degradarilor si avariilor aparute pe parcursul

exploatarii constructiei. Se vor urmari in special urmatoarele aspecte vizibile:

deplasari ale constructiei datorita alunecarilor de teren,

fisuri si crapaturi generate de tasari diferentiate,

descrierea (cercetarea) terenului de fundare

nivelul apelor subterane si gradul lor de agresivitate,

existenta infiltratiilor de apa la nivelul fundatiilor din diverse cauze (alimentari cu apa

si canalizari defecte, accesul apelor pluviale, lipsa trotuarelor, lipsa jgheaburilor si

burlanelor etc.),

existenta scurgerilor de apa, a igrasiei si condensului si efectele asupra elementelor

constructiei,

starea izolatiilor de orice natura,

efectele diferentelor/variatiilor de temperatura, a radiatiilor solare si ciclurilor de

inghet-dezghet,

efectele conditiilor de mediu agresiv asupra betonului si metalului (starea procesului

de coroziune -superficial, in profunzime, evolutiv -, starea sistemului de protectie

anticoroziva, degradarea betonului si armaturilor prin coroziune, starea stratului de

acoperire a armaturilor etc.),

efectele actiunii unor factori biologici (de exemplu prezenta unor ciuperci sau

microorganisme la elementele din lemn),

dezaxari ale elementelor, sectiunilor sau imbinarilor,

inexistenta unor elemente structurale,

14


efectele unor cutremure, accidente, avarii, explozii, incendii (ruperea unor elemente

sau bare, flambajul unor bare, deplasari sau deformatii mari ale elementelor si

structurii, fisuri mari in elementele de beton armat sau zidarie, degradari ale

imbinarilor metalice din cauza lipsei unor piese de legatura, a sudurilor incomplete

sau incorecte, a lipsei unor suruburi sau datorita suruburilor insuficient stranse etc.),

starea de deformare a constructiei (care poate rezulta si din masuratori topometrice),

starea betonului ca urmare a degradarilor provenite din uzura si lovituri accidentale si

modul de protectie a armaturilor.

Degradarile evidentiate la analiza starii tehnice a constructiilor sunt trecute in relevee ale

avariilor si defectiunilor. Aceste relevee vor cuprinde:

defectele, natura si pozitia (traseul) acestora in elementele de constructie,

lipsa unor elemente, bare, piese, suruburi, nituri, suduri etc.,

date privind elementele dimensionale ale defectelor: deformari (sageti) si deplasari

(dezaxari, translatii ale structurii, deplasari remanente), deschiderea fisurilor si

distantele dintre fisuri (la pereti si elemente din beton, beton armat, zidarii),

gradul de degradare a betonului, adancimea stratului de beton afectat de agentii

chimici si fizici,

gradul de degradare a armaturilor, grosimea stratului de coroziune,

grosimea stratului de coroziune la elementele din otel,

portiunile elementelor din lemn afectate de umezeala, microorganisme etc.,

zonele din cladire afectate de umezeala si igrasie,

starea de degradare a izolatiilor hidrofuge, termice, acustice,

starea de degradare a instalatiilor de orice natura.

In situatia in care sunt necesare valorile caracteristicilor fizice, chimice si mecanice ale

materialelor, daca elementele nu prezinta degradari, se pot considera valorile caracteristicilor

din proiect. In caz contrar se vor efectua determinari experimentale pentru stabilirea acestor

proprietati, precum si pozitia armaturilor in elementele de beton armat, calitatea sudurilor etc.

In literatura de specialitate sunt prezentate in amanunt metodologia incercarilor

nedistructive si distructive, in situ si in laborator, cu prezentarea aparaturii necesare, modul

de prelevare a probelor si metodele de interpretare a rezultatelor. De asemenea, fac obiectul a

numeroase studii in domeniu, stabilirea efectului coroziv al mediilor agresive asupra

elementelor de constructie si aprecierea evolutiei probabile in timp a acestor procese.

15


Alt gen de determinari experimentale in situ se refera la caracteristicile dinamice ale

constructiilor. Dupa cum este cunoscut, constructiile sunt afectate in timp de schimbari in

structura materialelor, iar eventualele degradari pot conduce la slabirea sau suprimarea unor

legaturi dintre elementele structurale; de asemenea pot apare modificari in interactiunea

dintre structura si elementele nestructurale si dintre fundatii si terenul de fundare. Aceste

considerente fac necesara in multe situatii stabilirea experimentala a perioadeldei, formelor

proprii de vibratie si a amortizarii.

Daca se considera ca datele din studiul geotehnic initial nu sunt concludente sau

suficiente sau se considera ca au aparut modificari in structura terenului de fundare datorita

ascensiunii sau migrarii apelor freatice sau a scurgerii celor pluviale sau din pierderile de la

sistemul de canalizare, atunci este necesara refacerea studiului geotehnic prin efectuarea de

foraje (sondaje) sau decopertari pana la anurmite adancimi functie de natura terenului si

importanta constructiei.

In conformitate cu diversele metodologii de evaluare calitativa, rezultatele analizelor se

pot sistematiza, nota si consemna in diverse tipuri de documente sau formulare, care cuprind

sintetic constatarile referitoare la elementele structurale si nestructurale. in final, functie de

importanta, constructia poate primi un calificativ prin care se apreciaza capacitatea sa de

rezistenta sau se caracterizeaza sub raportul riscului sau a sigurantei.

Pe linga date de decizie, evaluarea calitativa preliminara ofera si datele initiale pentru o

analiza mai detaliata, prin calcul.

Evaluarea analiticii preliminarii mai exacta decat o evaluare calitativa se bazeaza in

general pe determinarea pentru intreaga constructie, pentru elemente sau sectiuni

caracteristice a unor rapoarte dintre forta generalizata capabila si forta generalizata necesarii,

pe care ar trebui sa o preia constructia, elementul sau sectiunea conform normelor in vigoare

la data efectuarii expertizei. Aceste rapoarte poarta diferite denumiri coeficient de capacitate

seismica, grad de asigurare la actiuni seismice sau la alte actiuni.

O forta generalizata din expresia raportului poate fi forta taietoare total a (de baza) pentru

constructia in ansamblu, eforturi si/sau tensiuni pentru elemente si sectiuni. De asemenea,

aceste rapoarte se pot exprima prin deplasari absolute sau deplasari relative de nivel.

Valorile minime admise pentru rapoartele de evaluare a sigurantei structurale sunt

precizate in norme si in general sunt functie de categoria/clasa de importanta a constructiei.

Desigur ca o constructie va avea o capacitate portanta mai buna cu cat rapoartele mentionate

au valori mai apropiate (sau mai mari) de 1.

16


Modelarea structurii din punet de vedere al incarcarilor, maselor si rigiditatilor se face

utilizand scheme simplificatoare pentru fiecare directie principala a constructiei sau modele

de tip "stick" sau al rigiditatilor de nivel (cu luarea in considerare in mod aproximativ a

influentei torsiunii). Calculul structurii se va face la actiunile gravitationale, climatice si

seismice cu incarcarile, geometria si sectiunile reale, rezultate din releveul structurii si

releveele cu degradari si defectiuni.

Capacitatile portante ale sectiunilor caracteristice se determina eu dimensiunile din

relevee si cu valorile rezistentelor determinate experimental. Daca nu sunt degradari, se

accepta valorile din proiect.

Evaluarile analitice detaliate se bazeaza pe utilizarea modelelor de calcul spatiale, cu

mase concentrate sau cu elemente finite si care evidentiaza atat zonele degradate sau avariate

din structura cat si comportarea neliniara a materialelor de constructie. Actiunea seismica fi o

accelerograma sau un set de accelerograme real inregistrate sau spectre de acceleratie trasate

special pentru amplasamentul dat. In acest caz se poate apreciaza si ductilitatea efectiva a

elementelor structurale si a constructiei in ansamblu.

Expertiza unei constructii se incheie printr-un document denumit raport de expertiza care,

in general, cuprinde urmatoarele capitole:

A. Obiectul/motivatia (scopul expertizei prin care se indica elementele tehnice si/sau

functionale care au stat la baza iniţierii/declanşarii acesteia. Daca beneficiarul cere şi

modemizari, transformari, schimbari de functiuni şi tehnologii etc., expertul va

analiza suplimentar efectele tehnice şi eventual economice ale acestor interventii

asupra constructiei in general şi structurii de rezistenta in special. In acest caz

expertiza va sta la baza studiilor prealabile şi a altar documente solicitate de investitor

şi/sau autoritatea publica pentru aprobarea fondurilor şi obtinerea diverselor

certificate, autorizalii i avize in vederea executiei.

B. Date şi informaţii utilizate la elaborarea expertizei. Sunt cuprinse aici toate

documentele scrise şi desenate de care a dispus expertul, de exemplu:

a. proiectul constructiei sau, in lipsa, releveele de arhitectura si ale structurii de

rezistenta intocmite in cadrul expertizei,

b. studiul sau referatul geotehnic si modul cum a fost intocmit: pe baza unor

foraje, sondaje sau sapaturi efectuate in cadrul expertizei si date obtinute din

studii geotehnice elaborate pentru constructii invecinate,

c. documente sau informatii privind istoricul constructiei, comportarea la

cutremurele trecute sau la alte actiuni extraordinare, existenta unor expertize

17


elaborate cu aceste ocazii, date referitoare la modificarile, reparatiile sau

consolidarile efectuate,

d. releveele degradarilor constructiei -pereti, tavane, fundatii, sciiri, stalpi, grinzi,

buiandrugi etc.,

e. notele privind rezultatele decopertarilor si sondajelor efectuate la interiorul si

exteriorul constructiei pentru aflarea structurii de rezistenta sau a unor vicii

ascunse,

f. buletinele de analiza si referatele cu rezultatele si concluziile determinatorilor

si incercarilor experimentale,

g. tema cu modificarile solicitate de beneficiar -daca este cazul asupra

functionalului, fatadelor etc. constructiei insotita eventual de documente si

avize,

h. breviarul de calcul cu rezultatele analizei structurii in starea actuala, dupa

efectuarea eventualelor transfonnari cerute de beneficiar si dupa realizarea

masurilor de interventie/consolidare, daca sunt necesare.

i. Descrierea construcţiei din urmatoarele puncte de vedere:

j. amplasament, topografie, conditii geologice si geotehnice (ale terenului),

relatiile cu mediul construit,

k. alcatuirea generala a constructiei (corpuri de c1adire si rosturi, deschideri,

travee, inaltimi), functionalul si arhitectura acesteia,

l. istoria constructiei, daca este monument de arhitectura, istoric, religios, turistic

etc.,

m. modificari, reparatii si consolidan suferite,

n. alcatuirea sarpantei, invelitorii, izolatiilor, trotuarelor, pardoselilor, fmisaje1or,

tampliiriei etc.,

o. structura de rezistenta, fundatii si cota de fundare, scan, plansee etc.

Sunt anexate planurile principale de arhitectura si rezistenta. In lipsa acestora se prezinta

releveele de arhitectura si ale structurii de rezistenta, fotografii, date obtinute prin sondaje sau

decopertari.

C. Descrierea degradiirilor si avariilor construcţiei cu explicarea cauzelor probabile ale

acestora. Sunt anexate releveele si fotografiile fisurilor, degradarilor si avariilor

observate.

D. Rezultatele evaluarii calitative a construcţiei care se obtin pe baza examinarii

urmatoarelor elemente:

18


a. proiectul de arhitectura si de rezistenta si/sau re1eveele constructiei si

detaliilor importante in cazurile in care nu se dispune de proiect, sau executia

obiectivului nu a fost conforma cu proiectul, sau constructia a suferit

modificari pentru care nu exista documentatia tehnica,

b. releveele degradarilor, avariilor si fisurilor,

c. inspectia sau examinarea-analiza vizuala la fata locului a constructiei,

d. informatiile fumizate de beneficiar sau de catre alte persoane cu privire la

comportarea constructiei la cutremurele anterioare sau la alte actiuni

extraordinare.

e. Breviarul de calcul care contine rezultatele verificarilor analitice ale structurii

de rezistenta in mai multe situatii: actuala, cu modificari cerute de beneficiar,

cu consolidari, cu modificari si consolidari etc. Functie de gradul de

complexitate al calculului si modului de calcul se pot utiliza urmatoarele

metode:

f. metode de calcul simplificat

g. metode de calcul static postelastic (metoda biografica, metoda combinarii

mecanismelor),

h. metode de calcul dinamic neliniar (time history).

La stabilirea capacitatii portante a structurii de rezistenta si a elementelor structurale sunt

necesare valorile caracteristicilor fizico-mecanice ale materialelor (rezistente de rupere, de

curgere, moduli de elasticitate etc.). In lipsa datelor din proiect sau in cazul existentei

incertitudinii cu privire la aceste valori sunt necesare fncercari nedistructive (sclerometrie,

sonometrie, pahometrie etc.) sau incercari distructive

In breviar sunt mentionate datele considerate in calcul si se anexeaza buletinele de

incercari. Sunt situatii in care se fac si determinari ale caracteristicilor dinamice ale

constructiei pentru evaluarea rigiditatii acesteia in vederea compararii (identificarii) cu

rezultatele analitice si a validarii modelelor de ca1cul.

Capitolul cuprinde de asemenea scheme1e de calcul, datele initiale, programele de calcul

folosite, rezultatele si interpretarile si comentariile lor. Notele de calcul in detaliu si

listingurile cu rezultate sunt de regula anexate intr-un singur exemplar.

E. Concluzii, propuneri de interventie. Sunt prezentate conc1uziile generale ale

evaluarilor calitative si analitice fiind urmate de propuneri si masuri de interventie

19


considerate ca necesare pentru obtinerea nivelului de siguranta propus. Masurile de

interventie se pot c1asifica astfel:

a. cu pastrarea structurii, formei si functionalului constructiei prin efectuarea de:

b. remedieri/reparatii ale elementelor structurale si nestructurale interioare si

exterioare,

c. consolidari ale elementelor structurale sau consolidarea intregii structuri cu

scopul cresterii rezistentei, rigiditatii si ductilitatii a ansamblului structural,

prin interventii la elementele existente sau prin inlocuirea sau introducerea

unor componente structurale noi.

d. cu schimbarea conformatiei si destinatiei constructiei prin:

1) diminuarea incarcarilor utile din constructie / de pe plansee,

2) schimbarea functiunii constructiei pentru a-i micsora categoria

(clasa, grupa) de importanta,

3) demolarea prin micsorarea numarului de niveluri sau indepartarea

unor poriuni de constructie, inclusiv a elementelor nestructurale

interioare sau exterioare cu risc ridicat de desprindere sau

prabusire/cadere,

4) demolarea intregii constructii, in special a c1adirilor vechi, uzate

moral si fizic, a caror consolidare este nejustificata din punct de

vedere financiar.

Expertul prezinta masurile propuse si solutiile de principiu care urmeaza sa fie detaliate in

proiectul de interventie (reparatii, consolidari, demolari). Aceste masuri sunt verificate prin

cal cui pentru a confirma cresterea gradului de asigurare la actiuni exterioare cel putin la

nive1ul cerut de prescriptiile oficiale.

In final, decizia de interventie, amplasarea si evaluare a realizarii in timp a lucrarilor

apartin beneficiarului, proprietarului sau investitorului care, impreuna cu reprezentantii

autoritatii publice -daca este cazul pot lua in considerare si alte criterii de sau pot hotari

executia si a altor lucrari decat a celor destinate ridicarii gradului de siguranta cum ar fi:

schimbarea sau modernizarea functionalului sau tehnologiilor,

imbunatatirea finisajelor, inchiderilor, compartimentarilor, pardoselilor,

schimbarea izolatiilor, instalatiilor etc.

Diagnosticarea in vederea stabilirii starii constructiilor implica efectuarea unor

determinari experimentale la trei niveluri:

20


A. materialul de constructie;

B. elementul structural;

C. ansamblul construit.

Pentru determinarea caracteristicilor materialelor utilizate in constructii sunt utilizate doua

metode:

A. nedistructive,

B. distructive .

Incercarile experimentale pentru determinarea comportmi elementelor structurale si a

ansamblului construit se realizeaza in situ. In mod curent, pentru stabilirea starii unei

constructii sunt utilizate masuratorile dinamice, care dau posibilitatea identificarii modelului

de calcul si o diagnosticare pre si post reabilitare.

I. DIAGNOSTICAREA CU ULTRASUNETE

Viteza de propagare a ultrasunetelor intr-un solid perfect compact (fara goluri sau pori)

este in jur de 5000 m/s fata de viteza sunetului in aer de aproximativ 340 m/s . In interiorul

unui solid viteza de propagare a ultrasunetelor depinde de compactitate; cu cat compactitatea

este mai mare, viteza medie de propagare se va apropia de valoarea corespunzatoare unui

corp perfect compact, iar cu cat volumul de goluri este mai mare viteza scade.

Intr-un element din beton, viteza de propagare longitudinala a ultrasunetelor (VL) se

determina prin masurarea timpului parcurs (t) de impulsul ultrasonic pe lungimea de

propagare (d).

Intrucat rezistenta betonului este legata direct de compactitatea sa, viteza de propagare a

ultrasunetelor prin beton poate da o masura a rezistentei sale Rc si se poate stabili o relatie de

forma:

Rc=f(VL)

Ca urmare, cu ajutorul ultrasunetelor se pot detecta si localiza unele defecte interne

ale betonului, cum ar fi zonele de segregare, goluri etc.

Aparatele pentru determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor in beton sunt de

mai multe tipuri, dar principiul de functionare este acelasi. Astfel, un semnal ultrasonic cu

frecventa de 40 -100 kHz este produs de un generator de impulsuri (G). Semnalul este

transmis unui emitator (E), pus in contact cu elementul de incercat. Emitatorul se pune in

contact cu piesa din beton prin intermediul unui strat subtire dintr-un material moale, de

21


obicei se utilizeaza plastilina. Semnalul ultrasonic este receptionat de un receptor (R), dupa

care este amplificat si apoi vizualizat analogic sau numeric.

II. METODE DE MASURARE A VIBRATIILOR.

Vibratia unui sistem (constructie, fundatie de masini sau utilaj) poate fi produsa de actiuni

perturbatoare interne, cum este cazul organelor de masini in miscare cu rezemare directa pe

sistem, sau de actiuni perturbatoare externe, situatie in care transmisia vibratiilor la sistem se

face prin intermediul mediului de rezemare care, la constructii, este terenul de fundare iar la

utilaje elementul de constructie.

In analiza experimentala a vibratiilor trebuie facuta corelatia dintre actiune si raspuns prin

intermediul sistemului studiat. Acesta corelatie presupune determinarea unor parametri

cantitativi si calitativi care sa poata defini si caracteriza atat actiunea cat si reactiunea.

Practic acesta problema se pune diferit, functie de scopul studiului la vibratii:

1. determinarea experimentala a raspunsului sistemului la o actiune existenta si

compararea acestuia cu un etalon;

determinarea experimentala a parametrilor care caracterizeaza actiunea si

compararea printr-un calcul analitic cu raspunsul sistemului;

determinarea caracteristicilor sistemului sau identificarea sa prin

introducerea unor actiuni cunoscute si analizarea raspunsului acestuia, ceea

ce este specific unui laborator.

Pentru a caracteriza cantitativ si calitativ un proces oscilant, sunt necesare o serie de

utilaje, dispozitive si aparate care sa produca o actiune vibratorie, sa capteze raspunsul

sistemului si sa prelucreze informatiile obtinute.

Sisteme si procedee de actionare

Actiunile dinamice pot fi clasificate functie de modul de aplicare in:

1. directe, cand actiunea se aplica din exterior, avand ca punct de sprijin un punct fix.

2. indirecte, cand actiunea este generata de forte de inertie ale unor mase.

Producerea actiunilor dinamice se poate realiza prin mai multe procedee, cu ajutorul unor

sisteme mecanice, pneumatice, electromagnetice etc.

Dispozitivele de producere a actiunilor dinamice mai poarta denumirea de generatoare de

vibraţii sau vibratoare.

A. Generatoare mecanice:

22


Generatoarele meeanice pot fi cu actionare directa, pe principiul bielei, sau

indirecta, cu masa inertiala in translatie si eu mase inertiale in rotatie.

Pentru producerea miscarilor de rotatie, la generatoarele mecanice se utilizeaza

motoare electrice de curent continuu cu turatie variabila sau motoare hidraulice.

a. actionare directa, b. actionare indireeta sau inertiala

23


Progresul inregistrat in fabricarea materialelor compozite si anumite dezavantaje pe

care le prezinta solutiile traditionale de reabilitare structurala favorizeaza in prezent

extinderea utilizarii compozitelor cu matrice polimerica (CMP) la consolidarea structurilor de

rezistenta.

Materialele compozite sunt sisteme multifazice obtinute pe cale artificiala, prin

asocierea a cel putin doua materiale chimic distincte, cu interfata de separare clara intre

componente iar materialul compus rezultat este creat in scopul obtinerii unor proprietati care

nu pot fi obtinute de oricare dintre componenti lucrand individual.

Sistemele sunt definite drept compozite doar daca proprietatile fazelor individuale

difera substantial in raport cu cele ale materialelor rezultate in urma asocierii. Definirea unor

materiale cu termenul general de compozite este bazata pe schimbarea semnificativa a

caracteristicilor materialelor compozite fata de a componentelor initiale. Cele mai muIte

compozite au fost realizate pentru a obtine materiale cu proprietati mecanice superioare si

pentru a imbunatati performantele acestora in conditii severe de solicitare.

Compozitele cuprind cel putin o faza discontinua (armatura) inglobata intr-o faza

continua (matrice). Proprietatile compozite1or sunt determinate de caracteristicile fazelor

componente, distributia acestora si interactiunea dintre ele. Aceste proprietati se pot evalua

prin sumarea contributiilor fractiunilor volumetrice ale fazelor sau pot rezulta printr-o

interactiune sinergetica, astfel ca proprietatile nu se pot stabiIi prin aditionarea contributiilor

relative. De aceea, in descrierea unui material compozit ca sistem, pe langa precizarea fazelor

constituente si a proprietatilor acestora este necesara precizarea geometriei armiiturii in

ansamblul sistemului.

Intrucat la consolidarea structurilor (de rezistenta) se folosesc aproape exc1usiv

compozite din matrice polimerice armate cu fibre, in continuare se vor analiza doar aceste

tipuri de materiale compozite.

S-a constatat ca apar modificari evidente ale proprietati1or sistemelor multifazice daca

armarea se realizeaza cu fibre, fractiunea volumetrica de armatura depasind 10%, iar

proprietati1e armaturii sunt cel putin de 5 ori mai ridicate decat ale matricei.

La compozitele cu fibre continue se presupune ca armatura este principalul

component portant, iar matricea indeplineste functiunile de protectie si transfer al eforturilor

intre componentele portante.

24


Piesa elementara a stratificatului compozit este lamela alcatuita dintr-un esantion de

matrice si fibre aranjate in modul in care aceste componente sunt dispuse in ansamblul

produsului compozit.

1. Rolul fazelor in stabilirea proprietatilor materialelor eompozite armate cu fibre:

a. Matricea : Functiunile pe care le indeplineste matricea in ansamblul compozit

sunt urmatoarele:

i. stabileste forma definitiva a produsului realizat din materialul

compozit;

ii. inveleste fibrele astfel incat sa le protejeze atat in fazele de formare

cat si de lucru.

Ideile principale care trebuie retinute in legatura eu folosirea fibre lor si rolul acestora la

armarea compozitelor polimerice se refera la:

a. caracteristicile unidimensionale ale fibre lor annaturii contribuie la cresterea

rezistentelor si a constantelor elastice in principal dupa directia fibrelor, desi unele

contributii "laterale" nu sunt exc1use,

b. cresterea valorilor constantelor elastice si a rezistentelor compozitului este

proporionala cu fractunea volumetrica de fibra dispusa paralel cu directia efortului

aplicat, atata vreme cat matricea polimerica asigura invelirea corecta a fibrelor si

transferul eforturilor intre componente,

c. in cazul unor anumite fractiuni volumetrice de fibra si dispuneri geometrice ale

armaturii, rezistenta si modulul de elasticitate la intindere al compozitului creste prin

sporirea rigiditatii relative a arnaturii fata de matrice,

d. fibrele trebuie sa aiba caracteristici geometrice uniforme, variatii reduse ale

rezistentelor individuale si stabilitatea proprietatilor in timpul operatiunilor de

manipulare si punere in opera.

25


Proprietatile compozitelor polimerice armate cu fibre (CPAF) sunt influentate in mod

semnificativ de directia de solicitare, cu exeeppa compozitelor armate cu fibre scurte

distribuite aleatoriu. La compozitele armate unidirectional caracteristicile mecanice au valori

maxime in directia fibre1or si minime in directie normala pe fibre. O dependenta unghiulara

asemanatoare se observa si la proprietatile termofizice (de exemplu coeficientul de dilatare

termica sau conductivitatea termica etc).

Armarea bidirectionala sau multidirectionala a CMP echilibreaza valorile proprietatilor

fizico-mecanice. Desi mai reduse decit valorile in directia longitudinala, acestea mentin

avantajul unui raport favorabil rezistenta/densitate sau modul de elasticitate/densitate.

De asemenea, la sistemele compozite exista posibilitatea de repartizare si orientare a

armaturii astfel indit sa rezulte un material compozit cu proprietati dirijate. Proiectarea devine

astfel un proces complex, inc1uzand simultan etapele: material, element, structura compozita.

Stratificatele alcatuite din lamele compozite se degradeaza progresiv fiind evitata cedarea

totala instantanee. Mecanismele de degradare si cedare structurala ale stratificatelor din CMP

difera substantial fata de cele specifice metalelor. CMP armate cu fibre au o capacitate

superioara de amortizare a vibratiilor.

Cele mai multe CMP sunt rezistente la actiunea agentilor agresivi de obicei exista pentru

orice situatie de exploatare dintre un material compozit care ar putea fi utilizat acolo unde

folosirea altor materiale structurale (conventionale) este contraindicata. Totusi, unele

26


compozite polimerice absorb umiditatea atmosferica suferind modificari dimensionale si stari

de tensiuni suplimentare.

Degradarea comportarii mecanice a CMP se poate produce si datorita radiatiilor

ultraviolete sau temperaturilor ridicate.

Produsele din CMP se pot realiza la standarde ridicate de precizie pentru un numar redus

de faze tehnologice in procese simple (manuale) sau automatizabile, specifice productiei

industriale de masa. In cazul executarii elementelor din CMP prin procedee manuale nu se

cere o calificare pretentioasa a lucratorilor; acestia pot fi usor instruiti prin stagii reduse de

pregatire.

Proprietatile mecanice ale CMP la procentele reduse de armare sunt dependente de timp,

astfel ca deformatia specifica la un moment dat este determinata nu numai de eforturile

aplicate instantaneu ci si de intreaga istorie de incarcare a sistemului. Dependenta de timp a

relatiei efort-deformatie se reflecta si asupra rezistentei la rupere, de aceea pentru a obtine o

imagine reala a comportarii CMP sunt necesare incercari la rupere prin fluaj.

Multe CMP sunt anizotrope, fie datorita intentiei producatorului de a le imbunatati

proprietatile pe o directie (cazul CMP armate unidirectional sau cu tesaturi neechilibrate), fie

ca rezultat al operatiilor tehnologice de formare. La unele CMP modulul de elasticitate la

intindere difera de valoarea corespunzatoare la compresiune si incovoiere.

Fibrele reprezinta constituentul cel mai important al compozitului intrucat natura,

fractiunea volumetrica si orientarea acestora determina caracteristicile mecanice principale,

adica rezistentele si modulii de deformatie elastica la solicitarile uzuale, pre cum si costul

CMP.

Fibrele folosite la armarea CMP solicitate la intindere trebuie sa aiba rezistente si

moduli de elasticitate cu valori mari, alungire la rupere si durabilitate corespunzatoare,

tenacitate bun a si cost redus. Diametrele fibre lor trebuie sa fie suficient de mici pentru a

asigura o suprafata specifica mare de transfer a tensiunilor prin forfecare/aderenta cu masa de

baza. De asemenea diametrele mai mici reduc posibilitatea de dezvoltare a defectelor de

suprafata.

Cele mai multe fibre au sectiunea transversala circulara, acestea avand o comportare

mai buna la interfata cu matricea polimerica.

Fibrele din sticla se utilizeaza extensiv la armarea matricelor polimerice, avand ca

principale avantaje costul relativ redus si rezistente mecanice convenabile. Principalele

dezavantaje constau in valoarea mai redusa a modulului de elasticitate, rezistenta

nesatisfacatoare la abraziune, precum si aderenta necorespunzatoare la matricea polimerica in

27


prezenta apei. Aderenta redusa necesita folosirea unor agenti de cuplare pentru tratarea

suprafetei fibre lor.

Rezistentele mecanice ale compozitelor armate cu fibre din sticla sunt influentate

semnificativ de forma in care se foloseste materialul de armare.

Rovingul unidirectional este un ansamblu de filamente continue din sticia (cu

diametrele d=8 ... 14 pm) netorsionate, paralele si grupate in 6 ... 60 toroane.

Tesaturile bidirectionale asigura proprietati echilibrate dupa doua directii principale

ortogonale.

Pentru realizarea compozitelor cu matrice polimerice se pot utiliza fibre de sticia de

tip E sau ale caror proprietati fizico-mecanice principale sunt prezentate in tabeluI.

Calitatea aderentei dintre fibra de sticia si matricea polimerica afecteaza substantial

proprietatile mecanice ale compozitului si rezistenta la actiunea agresiva a mediului. Prin

tratarea fibrelor cu un agent de cuplare se asigura o regiune de interfata corespunzatoare

transferului dintre fazele componente ale compozitului cu matrice polimerica.

Prezenta apei la interfata inrautateste comportarea mecanica a fibrelor prin adancirea

microfisurilor de la suprafata armaturilor. Totusi se poate aprecia ca fibrele din sticla sunt

armaturi convenabile deoarece au pretul de cost scazut, caracteristici mecanice bune si

rezistenta acceptabila la actiunea agresiva a mediului daca sunt protejate corespunzator.

Fibrele pe baza de carbon se folosesc la armarea CMP cu performante ridicate. Desi

termenii "carbon" si "grafit" se considera interschimbabili, exista unele diferente notabile

atat in modul de realizare a structurii fibre lor cat si in continutul de carbon. Termenul "fibra

din grafit" se foloseste pentru a caracteriza fibrele cu un continut de carbon ce depaseste 99%

in timp ce "fibra din carbon" provine din material cu un continut de carbon cuprins intre 80-

95%. Fibrele din carbon folosite la armarea CMP sunt compatibile cu multe matrice

polimerice si au stabilitate buna la temperaturi ridicate.

CONSOLIDAREA INFRASTRUCTURILOR

La consolidarea infrastructurilor se va tine seama de urmatorii factori:

natura terenului de fundare;

nivelul ape lor freatice;

structura si importanta cladirii;

natura si starea fundatiilor;

necesitatea mentinerii cladirii in stare de folosinta.

28


Pentru a putea aborda problema interventiei la nivelul infrastructurii unei constructii este

necesar in primul rand sa fie cunoscuta cauza. Astfel interventia poate fi este cauzata de:

agresivitatea apelor subterane sau a terenului de fundare,

schimbarea destinatiei cladirii, supraetajare, consolidare,

alegerea unui sistem de fundare neadecvat,

reducerea capacitatii portante a terenului de fundare, prin:

o lipsa masurilor de protectie pentm constructiile fundate pe pamanturi sensibile

la umezire, infiltratii de apa pluviala, intretinerea defectuoasa a instalatiilor de

alimentare eu apa, de canalizare si de incalzire,

o defieiente de executie: nerespectarea cotei de fundare

o nerespectarea dimensiunilor fundatiilor din proiect,

o sapaturi incorecte,

o armaturi lipsa (omise) sau necorespunzator dispuse,

amenajari necorespunzatoare de subsoluri, la cladirile unde acestea nu au fost

prevazute,

diminuarea capacitatii sistemului de fundare prin executarea de lucrari subterane sau

lucrari in imediata lor vecinatate, fara masuri corespunzatoare de protectie,

tasari ca urmare a efectele vibratiilor produse de:

o baterea pilotilor,

o circulatia rutiera,

o functionarea diferitelor masini maresc gradul de indesare al nisipurilor,

o nerespectarea adancimii minime de inghet.

Modifidirile aduse fundatiei si/sau terenului de fundare ca etape necesare in

consolidarea unei constmctii pot crea situatii nedorite si in acelasi timp defavorabile

constructiilor din imediata vecinatate.

TIPURI DE DEGRADARI ALE FUNDATIILOR

A. Eroziunea fundatilor din piatra

Rezistenta si durabilitatea rocii este determinata de cantitatea si distributia mineralului

moale prezent in compozitia mineralogica. Daca cesta este dispus si indepartat prin alterare

mecanica si dizolvare, grupele de minerale dure raman aproape fara legaturi intre ele. Acest

29


proces de degradare intalnit la fundatii1e din piatra naturala este accelerat de succesiunea

fenomenelor de inghet-dezghet si de prezenta sarurilor din apa libera. Majoritatea rocilor nu

inregistteaza degradari semnificative ca urmare a eroziunii, cu exceptia gresiilor, marnelor si

calcarelor.

B. Putrezirea infrastructurilor din lernn

Infrastucturile din lemn au ca principala cauza a degradarilor apantia ciupercilor care se

dezvota pe baza materiei lemnoase. Conditiile favorabile de dezvoltare a ciupercilor in

infrastructurile din lemn presupun o temperatura intre 0 si 40°C, iar umiditatea lemnului de

minimum 20% cat si o oxigenare semnificativa a zonei. Radierele si pilotii din lemn sunt

frecvent supuse procesului de putrezire cand nivelul apei scade sub nivelul radierului.

Infrastructurile din lemn degradate prin putrezire sunt cele mai vulnerabile la atacul anumitor

insecte ce distrug masa lemnoasa aceelerand scaderea rezistentei si durabilitatii acestora.

C. Degradari prin umezire a infrastructurilor din piatra si cararnida ce au ca liant varul

sau argila

Peretii de zidarie eu mortar de tip argila sau var absorb o cantitate importanta de apa. In

aceasta situatie problemele apar numai la peretii care, dupa un timp, au atasat un strat

protector.

In special de mortar de ciment, modificand ba1anta de umiditate creata initial si obturand

schimbul de aer eu exteriorul. Astfel, apa se infiltreaza ascendent in pereti pana cand gaseste

zona unde schimburile de fluide cu exteriorul nu mai sunt impiedicate. Aceste situatii se

inregistreaza la cladirile vechi la care cota terenul amenajat initial creste prin:

modernizarea sistematizarii in zona construita,

lucrari de asfaltare,

amenajari ale terenului pentru evacuarea rapida a apelor de langa construcţie.

Degradarile peretilor de zidarie din zona imediat superioara infrastructurilor din zidarie

de piatra pot suferi deteriorari importante de tipul exfolierilor si desprinderilor straturilor de

mortar datorita cristalizarii sarurilor din apa infiltrata sau dizolvarii/hidratarii mineralelor

existente in rocile componente.

Degradari mai pot aprea si ca urmare a unor tasari suplimentare . La scaderea nivelului

apei subterane tasarile apar ca urmare a cresterii tensiunilor in terenul de fundare si a

modificarii presiunii apei din pori. In zonele urbane, construirea de noi obiective a implicat

un volum important de lucrari de drenaj si/sau epuismente, extinderea infrastructurilor pentru

transporturi terestre au obturat suprafeţe din ce in ce mai mari la tendinta de infiltrare a apelor

30


din precipitatii ca si aparitia zonelor cu lucrari de galerii pentru metrou executate in transee

deschise, plantarea in intravilan a copacilor de tipul foioaselor, au avut ca efect scaderea

nivelului apei subterane si in consecinta tasari suplimentare la constructii existente.

La terenuri cu capacitate portanta scazuta constructiile realizate anterior dezvoltarii

ingineriei constructiilor si respectiv a ingineriei geotehnice nu au o dimensionare justificata

cantitativ pe baza unor studii geotehnice si ca atare, unele dintre ele sunt fundate pe

pamanturi cu capacitate portanta scazuta, degradarile pornind de la infrastruetura si de cele

mai multe ori propagandu-se la suprastructuri .

La terenuri cu stratificatie neuniforma in zona activita a fundatiilor la constructiile cu

suprafata mare in plan orizontal riscul de a funda pe o stratificatie neuniforma este sporit cu

atat mai mult cu cat absenta unor metode de investigare a terenului a fost o realitate acceptata

prin lipsa dezvoltarii tehnologice specifice. Degradarile sunt localizate in zonele care au

suferit tasari suplimentare.

La cresterea incarcarilor constructiile care au avut o comportare buna initial pot

prezenta degradari datorita tasarilor suplimentare induse de modificarea incarcarilor, tasarile

fiind diferentiate pe talpa fundatiei. La demolarea constructiilor invecinate in fiecare ora

exista o zona considerata reprezentativa istoric ci cultural pentru comunitatea actuala.

Interventiile asupra constructiilor asociate acestei zone sunt de tipul consolidarilor dar pot fi

si radicale prin demolarea unora care nu mai pot fi recuperate. In aceste situatii, constructiile

vecine ramase sunt supuse unor deplasari neuniforme de jos in sus prin decomprimarea

parţiala a terenului de fundare. In unele situatii pot aparea probleme de stabilitate locala a

infrastructurilor prin pierderea sprijinirilor laterale.

In mod obisnuit, la reabilitarea fundatiilor din piatra, se pot utiliza urmatoarele

procedee:

1. introducerea unei fundatii sub fundatia existenta (subzidire).

2. realizarea unei camasuieli armate, fixata prin conectori, pe o fata sau pe ambele fete

ale fundatiei (pe toata inaltimea fundatiei sau partial

3. introdueerea unor fundaţii adiacente

4. consolidarea prin injectare;

5. consolidarea terenului de fundare.

Subzidirea se face pe tronsoane turnate altemant (lungimea tronsoanelor va fi de 80-120

cm). Pe langa armaturile dispuse transversal vor fi prevazute si armaturi longitudinale.

31


Subzidirea poate fi in unele cazuri continuata prin refacerea zidariei de piatra afectata,

prin camasuire cu o injectare prealabila a fisurilor sau rosturilor dezgolite. Subzidirea poate fi

rea1izata si pe piloti.

Conectarea camasuielilor la fundatia existenta se face in mod obisnuit cu scoabe

batute in rosturi sau in gauri forate. Fixarea scoabelor in cazul gaurilor forate se poate face cu

mortar injectat.

Tehnologia privind injectarea fundatiilor din piatra va fi identica cu cea practicata la

injectarea zidariilor.

La injectarea fundatiilor din piatra se va avea in vedere ca:

fisurile sa nu fie prea fine si sa permita injectarea,

In fisuri sa nu fie mal argilos care influenteaza panza si intarirea mortarului de ciment,

mortarul introdus sa nu fie intr-un mediu de ape agresive .

fundatiile nu vor fi expuse la exces de caldura sau de umiditate pe parcursul injectarii,

daca aceasta va fi realizata pe baza de mortar de var,

daca fundatiile consolidate prin acest procedeu sunt expuse ciclurilor de inghet-

dezghet, acestea vor fi protejate prin introducerea unor izolatii continue pe fata

exterioara.

32


La reabilitarea sistemelor structurale din zidarie vor trebui avute in vedere urmatoarele: 1. vechimea constructiei; tipul zidariei:

a. din piatra, b. din caramida;

2. tipul materialului de legatura dintre piatra de zidarie: zidarie uscata, mortar cu liant de tip argila sau var, mortar cu liant pe baza de ciment;

3. sistemul structural: zidarie simpla, zidarie conlucrand cu elemente metalice, zidarie conlucrfmd cu elemente din beton annat, zidarie cul stalpisori si centuri din beton armat, tipul fundatiilor.

Excluzand degradarea structurilor din zidarie ca unnare a greselilor de conceptie s executie, cauzele principale ale deteriorarii structurilor din zidarie pot fi: imbatranirea materialului in timp lipsa intrelinerii constructiei si aparitia fenomenului de condens, care implicit conduce la degradarea materialelor utilizate la a1catuirea sistemul structural, degradarea terenului de fundare ca urmare a infiltratiilor apelor pluviale, a pierderilor din instalatii1e de aductiune sau canalizare, a rididirii nivelului panzelor fi..eatice sau a schimbarii traseelor acestora datoriilor unor constructii noi, depasirea capacititii portante a terenului de fundare in cazul realizarii unor constructii noi, adiacente constructei existente, actiunea seismica, alte actiuni extraordinare cum ar fi exploziile, incendii etc.

33


6.2 PRINCIPII GENERALE DE CONSOLIDARE Consolidarea structurilor din zidarie se poate face prin: refacerea zidariilor dislocate, betonarea partiala in trepi cu beton, injectarea si matarea fisurilor ~i crapaturilor, coaserea fisurilor cu scoabe din otel, camasuirea peretilor, bordarea golurilor, legarea zonelor de colt, introducerea de tiranti, introducerea de ec1ise din profile metalice, dispunerea de elemente orizontale si verticale din beton armat, camasuieli din materiale compozite.

Conceptul de consolidare a sistemului structural poate impune combinarea procedeelor indicate mai sus, in functie de cauzele care au produs avaria, mecanismul de cedare si in mod special de starea constructiei. La efectuarea oricarei lucrari de reabilitare a structurilor din zidarie de caramida sau piatra, o etapa principala este pregatirea zidariei, care consta in urmatoarele: • Inlaturarea tencuielilor existente, • adancirea rosturilor pe 0 adancime de 15-20 mm, • Indepartarea materialului neaderent prin frecare cu peria de sarma pana la deschiderea porilor pietrei de zidarie, • suflarea cu aer comprimat a zonelor pentru indepartarea prafului.

In zonele in care zidaria este dislocata se va proceda la demontarea ei si la refacerea cu aceleasi materiale utilizate in structura initiala.

In cazul introducerii un alte materiale cu rezistente superioare apar zone neomogene care pot conduce la concentrari de tensiuni. Insa toate acestea trebuie privite in contextul general al consolidarii structurii. Din punct de vedere arhitectural, atunei cand este vorba de o structura din zidarie aparenta, utilizarea altor materiale poate modifica aspectul constructiei. Sunt multe exemple in care folosirea mortarului pe baza de ciment a condus la deprecierea valorii istorice.

Betonarea partiala in strepi cu beton

34


Prin betonarea partiala se inte1ege inlocuirea pietrei de zidarie cu beton in zoneIe cu fisuri si crapaturi importante. Operatiunea de betonare pariala consta in: indepartarea treptata, incepand de jos, a caramizilor degradate din dreptul fisurilor, curatarea zonei de mortar, suflarea cu aer comprimat, udarea caramizilor din zona pentru a nu absoarbe apa din beton turnarea betonului.

Fisurile si crapaturile de dimensiuni mari pot fi matate cu mortar pe baza de ciment. In cazul peretilor grosi este dificil ca matarea sa se realizeze in profunzimea zidariei, aceasta devine faza pregatitoare a procedurii de injectare.

In principiu etapele injeetarii constau in: curatarea de praf a fisurilor cu un jet de aer sub presiune, spalarea cu jet de apa a fisurii, daca se utilizeaza injectarea cu lapte de ciment sau

mortar pe baza de ciment, introducerea in zidarie, la adancimea de aproximativ 5 cm, la distante de circa un

metru in lungul fisurii a unor stuturi prin care se va face injctarea. aplicarea unui strat de mortar de ciment pe ambele fete ale zonelor cu fisuri (matarea

fisurilor), injectarea de jos in sus la o presiune de maxim 3 atm -se trece la injectarea prin

urmatorul stut, pe vertieala, in momentul in care materialul de injectare ajunge la asest nivel,

indepartarea stuturilor dupa intarirea materialului de injectare si repararea zonelor.

Consolidarea structurilor din ziadrie de caramida si piatra

Legarea cu scoabe din otel se practica in cazul fisurilor izolate. Scoabele se fixeaza de o parte si de alta a fisurii, pe cat posibil perpendicular pe aceasta, in zone cu zidarie nedegradata. Numarul de scoabe se determina functie de sectiunea acestora si capacitatea portanta a peretelui de zidariei, cu asigurarea unei lungimi sufieiente de ancorare. In mod curent se utilizeaza scoabe din otel rotund, fixate in gauri cu mortar pe baza de ciment. Daca este posibil se indica introducerea scoabelor pe ambee fete ale zidariei .

Camasuirea peretilor este indicata in cazul structurilor vechi puternic deteriorate, la care capacitatea portanta a peretilor structurali este mult diminuata. Astfel se practica camasuieli, pe una sau pe ambele fete ale peretilor structurali, cu mortar pe baza de ciment sau beton, armarea facandu-se in mod curent cu plase sudate. Pentru obtinerea unor sectiuni ductile se indica folosirea armarilor cu bare independente din ote1uri obisnuite.

Camasuirea peretilor din zidarie va incepe, in general, de la nivelul fundatiilor dintr-o centura de beton armat. In acest fel se asigura transmiterea incarcarilor la teren. Camasuiala peretilor trebuie astfel conceputa incat sa asigure o buna conlucrare cu zidaria existenta. Acest lucru se realizeaza prin fixarea armaturii de peretele de zidarie si asigurarea unei bune aderente a materialului utilizat in camasuiala la peretele existent prin tratarea corespunzatoare a suprafetei peretelui.

Fixarea armaturilor din camasuiala se face in mod curent cu scoabe dispuse in sah la circa 20 cm pe directie verticala si orizontala. Scoabele pot fi fixate prin batere in rosturi sau fixate in gauri in care s-a introdus mortar. In cazul camasuielilor duble se practiea si sistemul cu scoabe petrecute prin zid care leaga armaturile de pe ambele fete. Daca se utilizeaza scoabe fixate prin batere, atunci acestea se dispun in rosturile vertieale incinat la circa 10-15

35


si se fac din otel obisnuit cu diametrul minim 10mm, cu lungimea de 15 cm si ciocul de 6-8 cm, adeseori indoite in colt drept la cald.

Constructiile cu structuri din beton armat au o pondere importanta in cadrul fondului

nou construit in majoritatea tarilor lumii. Cu toate avantajele legate de siguranta unor astfel de tipuri de structuri sunt frecvente cazurile este necesara interventia in vederea reabilitarii lor.

Cauzele aparitiei degradarilor la stucturile din beton armat sunt multiple. Astfel, o prima categorie de degradari si chiar cele mai freevente sunt datorate executiei defectuoase, iar dintre aeestea se mentioneaza:

lucrari efectuate pe timp friguros sau la temperaturi ridicate fara luarea unor masuri corespunzatoare care sa asigure obtinerea unor betoane de calitate,

dispunerea incorecta a armaturilor in beton in confomitate cu proiectul de executie, decofrarea sau solicitarea elementelor structurale inainteaa termenului necesar

atingerii rezistentelor betonului, utilizarea unor materiale de calitate inferioara, nerespectarea tehnologiilor privind punerea in opera a betonului.

36


Uneori cauzele degradarilor structurilor din beton armat, ca si in cazul altor tipuri de structuri, se regasesc inca din faza de proiectare prin:

subevaluarea incararilor in raport eu destinatia constructiei sau schimbarea de destinatie,

modelari analitice incorecte si erori de calcul, greseli in alcatuirea structurala, cum ar fi lipsa capacitiitii de deformare plastice

(sectiuni neductile) pentru constructii situate in zone seismice, greseli conceptuale privind izolatii1e termice si sistemele de incalzire, acceptarea unor sisteme structurale improprii ca urmare a produsului creatiei de

arhitectura.

PROTECTIA SEISMICA

Cutremurele de pamant au reprezentat dintotdeauna un examen sever pentru

orice constructor. Cu aceasta ocazie sunt evidentiate pe langa erorile de conceptie

executie, necesitatea altor cai si metode de proiectare pentru constructiile amplasate

in zone seismice, care sa fie mai eficiente economic cu o siguranta sporita in exploatare.

In contextul preocuparilor actuale, datonta unor cerinte restrictive ale unor construct

speciale cum sunt reactoarele din cadrul centralelor nucleare, instalatiile cu pericol de

explozie, laboratoarele de mare precizie etc., a fost readus in discutie un deziderat mai vechi

al constructonlor si anume acela de reducere a influentei actiunii seismice asupra

constructiiior. Una din cerintele fundamentale in proiectarea constructiilor la actiuni

seismice consta in asigurarea unei adaptabilitati a structurii de rezistenta, astfel incat

eventualele degradari ce pot apare sa nu puns in pericol ansamblul. Mai mult, pentru

anumite structuri speciale instabile, cerintele de proiectare sunt ca functionalitatea acestora

sa nu se intrerupa dupa un seism distrugator.

Inca din anul 1967 normele SEAOC - Structural Engineering Association of

California au fundamentat conceptia actuala de proiectare a structurilor amplasate in

zone seismice, care a fost apoi larg acceptata de normativele de calcul seismic din

majoritatea tarilor. Principalele criterii care stau la baza normelor sunt:

la cutremurele de mica intensitate, structurile trebule sa reziste fart nici un fel de avarie,

adica sa lucreze in domeniul elastic;

pentru miscarile seismice moderate nu sunt admise avarii in structura de rezistenta, dar

sunt acceptate avarii nestructurale (in elementele neportante);

in cazul producerii cutremurelor catastrofale, pentru protejarea vietilor omene0i §i a

bunurilor de mare valoare, degradarile structurale posibile sa nu conduct la colaps.

37


Mai mult, practica a demonstrat ca acest concept bazat pe ductilitate, pe langa faptul ca nu

este sigur in exploatare, conduce si la degradari datorate cerintelor de incursiuni in

domeniul plastic care se traduc in final prin cheltuieli de consolidare. Pe de alta parte

studiile experimentale arata ca mecanismele de absorbtie ale energiei prin deformatii

inelastice la incarcarile ciclice suntconstatandu-se degradari si modificari ale modurilor de

cedare ce pot pune in pericol structura de rezistenta. De foarte multe ori mecanismele de

cedare propuse in grinzi nu se adeveresc, rezultand cedari la nivelul stalpilor prin

mecanisme total diferite de cele propuse.

Cedarea stalpilor unei cladiri cu structura in cadre din beton armat, Kobe 1995

Ca urmare a incursiunilor in domeniul plastic, estimarile au aratat ca sunt necesare

costuri insemnate pentru remedieri si consolidari, ce pot ajunge pans la 30% din valoarea de

inlocuire a cladirii, dar care nu intotdeauna pot conferi structuril siguranta necesare in

exploatare.

Producerea unor degradari structurale importante poate conduce uneori la probleme

de proiectare extrem de dificile. Daca problemele economice pot fi rezolvaanu mite situatii

relativ unor, aspectele tehnice precum cele legate de scoaterea din uz a unor constructii de

maxima importanta pentru economie sunt adesea foarte connplexe si greu de rezolvat. De

multe on este mai dificil sa consolidezi o constructie decat sa o construiesti din nou, datorita

restrictiilor si riscurilor care complica conceptia si executia.

38

7


Energia indusa intr-un sistem depinde de fapt de caracteristicile sale dinamice, de

deformabilitate si de capacitatea de disipare energetica, in stransa legatura cu tipul.

Aceasta inseamna ca pot fi stabilite anumite solutii optime de reglare si adaptare a

caracteristicilor structurale, asa cum sunt definite in literature de specialitate, astfel incat sa

se obtina un minimum al energiei induse, deci implicit al raspunsului la actiunea seismica.

Dupa cutremurul San Fernando (1971), specialistii americani P.C.Jennings si G.W.Housner

notau: ''Pentru limitarea potentialului distrugator al cutremurelor, unele structuri speciale si

instalatii trebuie sa fie proiectate astfel incat sa nu fie intrerupta functionarea lor dupe un

cutremur distrugator. Pentru mentinerea principalei functiuni a unei structuri va fi necesar,

in

multe

cazuri,

de a

proiecta

un raspuns aproape elastic pentru structura de rezistenta si o constiincioasa alcatuire

constructive a elementelor nestructurale''.

In aceste conditil apare evidenta necesitatea alternativei raspunsului exclusiv elastic

(liniar) pentru anumite

tipuri de structuri, ceea ce ar

putea crea conceptul de

protectie seismica "Integrals".

In proiectarea curenta,

acesta are insa dezavantajul ca

este prohibitiv din punct

de vedere economic.

Sub anumite

aspecte,

excluzandu-1 pe cel economic, char utilizarea raspunsului elastic nu prezinta in totalitate

solutia ideals deoarece, pe langa faptul ca elementele devin foarte rigide, sunt posibile

produced de lichefieri la nivelul terenului de fundare.

39


Mai mult, in conditiie centralelor nucleare, atat pentru structuri cat si pentru

echipamente sunt necesare masuri mult mai severe, care vizeaza nu numai un raspuns elastic

liniar dar si un grad de securitate ridicat, orice avarie putand avea efecte dezastruoase asupra

mediului inconjurator.

Protectia seismica este necesara pentru structuri vitale pentru societate, siguranta

publics si sanatate: cladirile guvernamentale, militare, administrative, centre de comunicatie,

centrale nucleare, uzine chimice, spitale etc. si structuri ce cuprind aglomerari de oameni:

teatre, cinematografe, scoli, biserici si constructii cu continut pretios. In cele mai multe

cazuri este necesara pastrarea integritatii continutului valoros al acestor cladiri si ce este cel

mai important, protejarea vietii oamenilor.

Daca incercam abordarea problematicii protectiei seismice prin analiza rezultatelor

inregistrarilor seismice, vom constata un domeniu foarte larg de variatie a perioadelor

dominante ale spectrelor medli de raspuns pentru diferite cutremure produse pe glob .

Ordonatele maxime ale spectrelor seismice de raspuns corespund perioadelor de

oscilatie intre 0.2-2.5 secunde, cu ponderea valorilor maxima cuprinse intre 0.2-1.2 secunde.

In cazul unor terenuri slabe in adancime, neconsolidate, foarte compresibile si imbibate cu

ape, se poate ajunge la ordonatele maxime spectrale pentru valori mai man ale perioadei de

2.5 secunde. Chiar si in cazul cutremurelor vrancene, zona dominante pare a fi amplasata in

intervalul 0.3-0.5 secunde, exceptie facand unele zone cu terenuri neconsolidate.

Pe baza spectrelor de raspuns rezulta clar ca pentru structurile de constructii

domeniul defavorabil este cel cuprins intro valorile 0.2-2.5 secunde, unde se pot atinge

maximele spectrale, ceea ce ar impune evitarea proiectarii in acest interval.

Practice proiectarii arata dificultati majore in realizarea unor structuri cu

perioada proprie fundamentala de vibratie care sa se incadreze in afara acestui interval,

dar pot fi realizate sisteme capabile sa-si modifice caracteristicile pe durata unui seism,

sa disipeze mai multa energie etc., evitandu-se astfel obtinerea raspunsului maxim.

Spre deosebire de metodele curente de proiectare antiseismica, la care siguranta la

actiunea seismica este datorata deformarii elementelor structurale si capacitatii acestora de a

absorbi o parte din energia indusa de cutremur prin ductilitate, noile concepte presupun

40


utilizarea unor sisteme speciale, care pot limita cantitatea de energie indusa de seism in

structure sau de a disipa o cantitate cat mai mare din energia indusa.

Protectia seismica innplica necesitatea cresterii adaptabilitatii structurilor la

actiunea seismica, ceea ce inseamna disiparea energiel induse de seism si prin alte

mijloace. Evident, realizarea acestui obiectiv trebuie sa tine seama si de o minimizare a

cheltuielilor legate de protectia seismica a structurii de rezistenta dar si de cheltuielile

legate de reparatii si consolidari ca urmare a producerii unei actiuni seismice

extraordinare.

Cresterea adaptabilitatii constructiilor la actiunea de tip seismic consta in

conceperea sistemelor astfel incat, la atingerea unui anumit nivel de intensitate al

raspunsului structurii care poate deveni periculos, sa se produce modificari ale

caracteristicilor dinamice ale acesteia insotite de disipari importante de energie.

Protectia seismica pasiva are la baza urmatoarele:

1. disiparea energiei induse de seism in structure;

2. reducerea cantitatii de energie ce se induce in structure.

Astfel protectia seismica pasiva ductile, asa numita protectie seismica ,,clasica" sta

la baza normelor actuale de proiectare la actiuni seismice a constructiilor, in care

siguranta in exploatare se bazeaza pe ductilitate si pe capacitatea in general a unui

sistem de a disipa energia. In acest caz este important a se defini un mecanism de cedare

a structurii care in final sa nu conduce la colaps. Cu toate acestea, experienta

cutremurelor severe demonstreaza ca la conceperea acestor mecanisme de cedare nu se

tine seama de toti factorii care concurs la raspunsul seismic. Rezultand structuri

sensibile cu capacitati reduse de disipare energetica si risc de colaps ridicat.

In categoria structurilor disipative exista o varietate foarte mare de sisteme bazate pe

diferite sisteme si dispozitive de disipare a energiei (device). Astfel de dispozitive introduse

intr-o structure pot fi bazate pe: frecare , curgerea otelului, amortizare vascoelastica si

amortizare vascoasa.

Dispozitivele disipatoare de energie introduse intr-un sistem contribuie la modificarea

proprietatilor de rigiditate ale structurii si implicit la modificarea caracteristicilor dinamice

41


ale acesteia. Cresterea rigiditatii structurii inseamna plasarea sistemului intr-o alte zone

spectrale care nu totdeauna poate fi benefice. Rolul esential in aplicarea unor astfel de

dispozitive este cel dat de amortizarea histeretica.

42

DISIPATOR CU FRECARE

F

F

( c ) ( a )

DISIPATOR CU DEFORMAREA PLASTICA A METALULUI 11


Daca consideram cazul introducerii unui dispozitiv cu frecare intr+o structura, se constata din punct

de vedere static o crestere a rigiditatii ansambluiui. Asa la depasirea fortei de frecare, dupa care

rigiditatea corespunde cu cea initiala. Evident ca in cazul oscilatiei unui astfel de sistem exista o

modificare a caracteristicilor dinamice corelate cu un consum energetic ce corespunde nivelului fortei

de frecare Fo.

Fig. 1.6 Sistem echipat cu disipator cu frecare (a) rigiditatea initials a structurii (b) rigiditatea

dispozitivului cu frecare (c) rigiditatea ansamblului

Dispozitivele cu deformarea plastica a metalelor introduse intr-o structura conduc si la

modificarea rigiditatii sistemului, fig. 1.7. Cu Fo s-a notat forta la intrarea in curgere a disipatorului

cu deformare plastica a metalului in ipoteza unei comportari biliniare. Referitor la caracteristicile

dinamice ale unui sistem cu astfel de dispozitive vom constata modificari in timpul oscilatiei pe

durata unui seism.

43

pa),

0T [s]

T,

Amortizoarele vascoelastice introduse intr-o structure conduc la fel la schimbarea

rigiditati sistemului, dar fara modificari ale caracteristicilor dinamice in timpui unui seism.

La fel, capacitatea de amortizare a dispozitivului este esentiala in reducerea raspunsului

sistemului.

Comportarea unui astfel de sistem se poate analiza nurnai printr-o analiza dinamica

prin luarea in considerate in ecuatia diferentala a unei forte de amortizare echivalente

disipatorului vascoelastic.

Din punct de vedere static amortizorii nu intervin sa modifice rigiditate in sistem

decat intr-o masura foarte mica care uneori poate fi neglijata comparativ cu rigiditatea

structurii, dar care din punctul de vedere al comportarii sistemului dinamic este importanta

prin forta de amotizare introdusa.

Pe baza unei analize simpliste, utilizand spectrele seismice de raspuns, toate aceste

sisteme cu dispozitive disipatoare de energie incluse vor beneficia de reduceri importante

ale raspunsului seismic prin plasarea pe alte curbe spectrale datorita cresterii capacitatii de

disipare energetice.

Fig. 1.10 Reducerea valorilor spectrale in cazul introduceril disipatorilor de energie

Cantitatea de energie indusa intr-o structure este strans legate de caracteristicile sale

dinamice si de cele ale seismului. De aceea am numit protectie seismice.

In aceasta categorie au fost incluse sistemele cu diverse tipuri de legaturi care prin

cuplarea sau decuplarea anumitor camponente structurale nnodifica caracteristicile dinamice

ale sistemului

Adaptarea structurii se poate realiza prin decuplarea unor legaturi, sau prin

introducerea in lucru a unor elemente, in ambele situatii rezultand o modificare a rigiditatil

structurii.

Cu Fd s-a notat nivelul fortei la care s-a produs decuplarea cu Fr nivelul fortei la care

se produce modificarea de rigiditate. In cazul decuplaril unor elemente, rezulta un consum

energetic initial corelat cu capacitatea elementelor ce se rup si constituirea unui alt cistern cu

o alta comportare la actiunea seismice, sau mai bine spus amplasat intr-o alta zona spectrale.

Studiile efectuate de Aizenberg arata car in cazul constructiilor cu legaturi

decuplabile, incarcarile seismice de calcul pot fi de 2-3 ori mai mici decat la cladirile

obisnuite rigide si cu 20-35% mai mici decat la cele flexibile. Totodata costurile masurilor

de protectie la actiunea seismica se reduc cu 20-40% si se realizeaza o economie la

armature pana la 25-35%.

F

d

F

(a) (b)

Fd -d

Fig. 1.11 Sistem culegaturi decuplabile

(a) rigiditatea initials a sistemului (b) rigiditatea

structurii dupa decuplarea legaturilor

Fig. 1.12 Sistem cu elemente de rigidizare (a) rigiditatea initials a sistemului (b) rigiditatea structurii dupa cuplarea legaturilor

In al doilea caz, prin introducerea in lucru a unor elemente, rigiditatea structurii se

modifica continuu in report cu o anumita deplasare impusa elementelor de cuplare. Astfel,

cantitatea de energie care se induce difera, fiind functie de rigiditate si implicit de

caracteristicile dinamice ale structurii.

Sistemele ,,adaptive" cu mase aditionale acordate, asa numitele ,,tuned mass

damper sau TMD-uri" sunt extrem de diverse. Cei mai simplu sistem este cel la care insa

rolul masei este acela de a limita partial deplasarile, fiind mai mult utilizat la constructiile

inalte in scopul introducerii unor legaturi suplimentare pentru cresterea sigurantei la

actiunea vantului. Masa este ampiasata pe un sistem de role (lagare), care ii permit

deplasarea libera, fiind in acelasi timp cuplata de structure prin intermediul unor resorturi

la care se adauga dispozitive de amortizare.

Sistemeie de disipare cu lichid au fost initial utilizate la controlui vibratiilor

pentru sateliti si in marina pentru asigurarea stabilitatii laterale a navelor si se bazeaza pe

absorbtia energiei cinetice prin miscarea lichidului.

Se constata ca principile de protectie seismica ale acestor sisterne pasive au la

baza in primul rand consumul energiei induse de seism in structure si nu limitarea

cantitatii de energie indusa. Acesta limitare se poate realiza numai prin izolarea bazei.

Izolarea bazei structuni de fundatie este de fapt ideea de la care porneste

conceptul de izolare seismica, adica de introducere a unui "bara' in fata energiei

seismice, dimonuind-o.

Izolarea seismica a bazei consta in principiu in decuplarea legaturilor dintre fundatie

suprastructura, realizandu-se astfel o suprafata de lunecare, pe care o putem denumi

„lager", care va permite deplasarea libera a fundatiei impreuna cu terenul de fundare,

suprastructura ramanand in repaus datorita inertiei sale. Izolarea seismica ideala ar putea

fi realizata numai in cazul unui lagar ideal, ceea ce evident nu este posibil. In consecinta,

datorita rigiditatii „lagarulur, sau a sistemului de rezemare, se induce a cantitate de

energie corelata cu caracteristicile actiunil e caracteristicile dinamice ale

ansambluiui nou creat. Pe langa reazerme se utilizeaza in mod obisnuit elemente

disipatoare de energie care pot avea si rol de limitare a deplasarilor.

Dintre toate noile sisteme de protectie seismica, izolarea bazei este cea mai utilizata in

momentul de fata. Exista in lume numeroase constructia noi sau reabilitate la care s-a adoptat

acest sistem. De remarcat este utilizarea acestei tehnologii la numeroase poduri de sosea in

foarte multe tari. Un domeniu in care este necesara cresterea sigurantei si fiabilitatii la

actiunea seismica este cel al instalatiilor si echipamentelor speciale. Astfel, cu ocazia mai

multor cutremure puternice care au avut loc in Japonia, s-au constatat pierderi insemnate

datorita distrugerii sistemelor de calcul folosite in mod special pentru bazele de date ale

unor banci, ale laboratoarelor de mare precizie etc. Costul ridicat al unei constructii cu

sisteme speciale de crestere a capacitatii de adaptabilitate la actiunea seismica posibilitatea

utilizarii spatiilor existente au impus folosirea unui alt procedeu anume izolarea locala.

In principiu izolarea locala se refera la introducerea unui planseu flotant, rezemat pe

structura prin intermediul unor reazeme, cuplate cu diverse tipuri de elemente disipatoare de

energie.

Cercetarile in domeniul sistemelor de protectie seismica au facut in ultimii ani progrese

deosebit de spectaculoase, ajungandu-se sa se discute deja despre structuri inteligente. Astfel de

structuri sunt capabile sa reduca efectul acVunii seismice realizand o siguranta maxima in

exploatare gifac pale din categoria protectlei seismice active.

Structurile inteligente (sisteme active) au in componenta lor un sistem de captare a

informatiilor (deplasari, viteze sau acceleratii) pe baza carora poate da decizii asupra sistemului

de actionare. Intre cele doua sisteme exista o interdependenta permanenta care trebuie sä

asigure o reducere directa a efectelor actiunii. Sistemul inteligent structural prezentat are

elernentele de actionare dispuse astfel incat diminueaza direct eforturile induse in structura.

Pe acest principiu exista o rnultitudine de sisteme in care elementul activ este amplasat

direct intre niveluri succesive (de exernplu pe diagonale) sau utilizeaza alte elemente

intermediare cu rol de „amplificator" prin care transmit actiunea. Diminuarea efectelor

seismelor se poate realiza si prin dispunerea sistemelor de actionare la nivelul bazei, in ipoteza

unui sistem izolat seismic.

Marele dezavantaj al ultimelor doua sisteme este datorat cantitatii mare de energie

necesare sistemului de actionare. In cazul sistemelor active inertiale consumul energetic este

mult diminuat datorita faptului ca se pot induce acceleratii mai mari decat cele produse de

seism, care raportate la masele in miscare pot contracara efectele acestora.

In cazul sistemelor inteligente sau active, rezolvarea unor probleme de ordin tehnic

economic s-a realizat prin crearea asa numitelor sisteme hibride sau semiactive. Astfel de

sisteme sunt concepute sa compenseze activ numai partial raspunsul structural, ansamblul

fiind de fapt un sistem pasiv. In momentul de fata in lume exista numeroase constructii cu

sisteme de protectie seismica diferite de cele clasice, dintre care multe au fost supuse testului

actiunii seismice in situ. Datorita faptului ca aceste constructii sunt noi si in marea lor

majoritate au caracter de unicat, s-a pus foarte putin problema unor eventuale. Analizand

fiecare nou concept de protectie seismica se pot sintetiza o serie de tipuri caracteristice de

disfunctii pentru care trebuie luate masuri in vederea eliminarii lor sau a diminuaril efectelor

ce le pot avea.

Din experienta si studiile efectuate asupra structurilor cu capacitate sporita de disipare

energetica s-au constatat urmatoarele:

1.pentru functionarea eficienta a dispozitivelor disipatoare de energie sunt necesare

deplasari relative mari in zonele lor de amplasare, ceea ce conduce la o serie de

dezavantaje legate de concepfia si realizarea structurii (sunt necesare analize de ordinul II)

si evident a elementelor de inchidere:

2.dispozitivele disipatoare de energie care se degradeaza dupa un numar de cicluri trebuie

inlocuite;

3.dispozitivele disipatoare de energie concepute ca pereti structurali sunt neeconomice

datorita costului foarte ridicat al inlocuiril acestora si a problemelor care le pune efectuarea

unor asemenea lucrari.

4.toate sistemele ce contin dispozitive disipatoare de energie necesara a intretinere

permanenta.

Pentru domeniul structurilor cu izolarea bazei, la care experienta este mult mai vasta, se

pot remarca urmatoarele dezavantaje:

1. necesitatea existentei a doua infrastructuri intre care se intercaleaza „lagarul" sau

sistemul de rezemare care asigura deplasarea libera a suprastructuni in raport cu

infrastructura.

2. posibilitatea aparitiei vibratiilor din actiunea vantului sau trafic, data sistemul de

izalare nu confine elemente care sa il faca functionabil numai la un anumit nivel al actiunii

seismice;

3. asigurarea suprastructurii la rasturnare, aceasta fiind desprinsa de infrastructura;

4. posibila aparitie a unor fenomene de balansare, in timpul producerii cutremurelor, ca

urmare a utillzarii unor sisteme de izolare cu flexibilitatea mare pe directie verticala;

5. aparifia fenomenului de torsiune la nivelul sistemului de rezemare din deficiente de

executie ale reazemelor, cedarea totala sau partiala a unor reazeme, efecte generate de

suprastructura etc.;

6. conditiile de exploatare speciale a sistemului de rezemare si evident o intretinere

permanenta.

In cazul sistemelor active, unde experienta este mult mai redusa, se pot face urmatoarele

observatii:

a) consum energetic mare in momentul producerii seismutui — apare pericolul

nefunctionarii ca urmare a decuplarii retelei electrice;

b) pret de cost extrem de ridicat in report cu efectele pe care le pot produce;

c) disfunctia unui element din ansamblu poate periclita intregul sistem prin efectele

defavorabile pe care le poate produce;

d) necesita intretinere cu grad mare de calificare;

e) sistemul de actionare unic la baza nu se justifică ca urmare a unei puteri instalate extrem

de mare ceruta in acest caz.

Din analiza noilor conceptii de proiectare seismica a structurilor se constata ca la toate

sistemele, cu exceptia izolarii bazei, apar acceleratii, cel putin egale cu accelerate

terenului care, nu afecteaza structura de rezistenta, conduc la disconfort si efecte

defavorabile asupra oamenilor, echipamentelor, utilajelor etc.

De o bună perioadă de vreme a apărut cu prioritate în multe ţări cu risc seismic

mare, necesitatea evaluării vulnerabilităţii construcţiilor existente. Această evaluare este

necesară pentru a se stabili consecinţele producerii unui seism într-o anumită zonă şi a

se identifica clădirile cu cea mai mare sensibilitate la un cutremur în perspectiva unei

consolidări a structurii de rezistenţă. În acest sens, vulnerabilitatea trebuie să fie

exprimată sub o formă compatibilă cu noţiunea de alee seismică astfel încât să se poată

estima impactul său asupra unei zone construite.

Aleea seismică se defineşte prin probabilitatea de a se atinge sau a se depăşi un

anumit nivel de solicitare seismică într-o regiune dată, într-o perioadă specificata de

timp. Există trei mijloace clasice de a reprezenta aleea seismică

Intensitatea, reprezintă măsura efectelor unui seism asupra construcţiilor.

Este o măsură pur calitativa care rămâne foarte utilizată în ţări seismice că

Italia şi Grecia, fiind singură ce poate oferi date accesibile pentru seismele

istorice; este perfect definită în Europa datorită scării de intensitate

EMS98.

Acceleratia maxima a solului – PGA, Peak Ground Acceleration.

Spectrul de raspuns: reprezentarea acceleratiei aplicate asupra unei serii de

oscilatoare cu un grad de libertate dinamice supuse la o accelerograma

data.Acest mijloc este din ce in ce mai mult utilizat datorita faptului ca

integreaza parametrii importanti ca: continutul frecvential, viteza maxima,

deplasarea maxima si impune utilizarea in calcul a metodelor in deplasari.

Normele paraseismice au considerat din totdeauna acţiunea seismică că o forţă iar

răspunsul calculat al unei structuri s-a determinat pe baza principiului fundamental al

Dinamicii. În consecinţă, dimensionarea sau verificarea structurii la seism revenea la a

se echilibra aceste forţe excitatoare.

În realitate, acţiunea seismică se limitează la o deplasare impusă la baza

construcţiei. Forţa seismică menţionată de norme nu este decât o consecinţă (reacţiunea)

la această deplasare. Atâta timp cât deplasarea şi forţa respectivă sunt legate printr-o

relaţie liniara, analiza dinamica prin aproximarea în forţe echivalează cu o analiză în

deplasări. Aceasta echivalentă încetează însă de a mai fi valabilă în momentul în care

comportarea materialului nu mai este liniar elastică. În acest caz se recurge la

aproximarea în forţe apelând fie la metode de calcul numerice capabile să traducă pas cu

pas comportamentul structural fizic neliniar, fie la coeficienţi de reducere a efortului

respectiv (coeficienţi de comportare) iar prevederile constructive impuse asigura

structurii ductilitatea corespunzătoare.

În concluzie, când se dimensionează sau se verifică o structură prin noile norme

de proiectare paraseismica se urmăreşte să se controleze deplasările şi nu să se

echilibreze forţele provocate de seism. În plus acţiunea seismică poate fi reprezentată în

mod natural printr-o deplasare şi nu printr-o forţă sau o simplă acceleraţie.

Structura de rezistenţă se discretizeaza în elemente finite într-un sistem plan său

spaţial iar în dreptul maselor structurii, la noduri, se aplică forţele laterale seismice

convenţionale. Configuraţia regulată sau neregulată a structurii influenţează performanta

privind comportarea la cutremure puternice.

Modelarea structurii se va face ţinând cont de următoarele principii:

a. daca miscarile de translatie laterale ale structurii sunt clar decuplate atunci se

poate considera in calcul un model bidimensional cu cate un grad de libertate

dinamica de translatie la nivelul fiecarui planseu;

b. daca miscarile de translatie si de torsiune sunt cuplate, atunci se impune alegerea

unui model tridimensional cu cel putin trei grade de libertate dinamica pentru

fiecare planseu,cu respectare urmatoarelor conditii:

ogradele de libertate dinamica sa fie doua translatii orizontale si o rotatie fata

de axa perpendiculara pe planseu;

ofiecare planseu sa fie indeformabil in planul sau si sa lucreze ca o saiba

rigida ce va antrena in miscare toti stalpii odata.

Pentru clădiri cu planşee flexibile nu mai sunt utilizabile modelele cu 3 grade de

libertate dinamică la fiecare nivel. Diferenţele semnificative de rigiditate între diferite

zone ale planşeului pot conduce la modificări ale distribuţiei forţelor laterale în

interiorul structurii.

La elementele verticale de rezistenţă (stâlpi, diafragme) se pot produce efecte

nedorite de torsiune. În unele situaţii se poate conta pe efectele de interacţiune între

elementele rezistente la forţele laterale (cadre) şi elementele nestructurale (pereţi).

Contribuţia pereţilor structurali, respectiv a cadrelor de beton armat în rezistenţă

ansamblului structural se exprima prin fracţiunea din forţa tăietoare de bază preluată de

cele două subsisteme structurale. Dacă aceşti pereţi nu sunt distribuiţi uniform în plan şi

în elevaţie pot apărea neregularităţi torsionale. Aceste efecte suplimentare de torsiune

conduc la creşteri ale eforturilor şi deformaţiilor în elementele perimetrale.

Astfel, construcţiile cu elemente rigide concentrate într-o zonă cu dimensiuni

relativ reduse, situată spre mijlocul clădirii şi cu elemente mult mai flexibile în restul

construcţiei prezintă de regulă rotiri de torsiune importante, cu amplificări periculoase

ale deplasărilor elementelor dispuse periferic. Analiza dinamica modală evidenţiază în

asemenea cazuri primele moduri care cuplează vibraţiile de translaţie cu cele de

torsiune, făcând dificil controlul comportării structurii. Pentru echilibrarea structurii din

punct de vedere al rigidităţii se recomandă plasarea unor pereţi pe contur, dispuşi în

poziţie avantajoasă sau mărirea rigidităţii cadrelor perimetrale (de obicei prin sporirea

înălţimii grinzilor). Eficienţa acestor intervenţii se poate verifica prin decuplarea

vibraţiilor de translaţie cu cele de răsucire de ansamblu.

De asemenea o configuraţie neregulată pe verticală (existenţa etajelor flexibile sau

a nivelelor cu rigiditate diferită) poate provoca concentrări ale tensiunilor tangenţiale

din forfecare şi răsucire.

Codurile de proiectare paraseismica a clădirilor includ reglementări pentru luarea

în considerare a efectelor torsiunii apărute în comportarea structurilor asimetrice, dar şi

a celor cvasi-simetrice, în cazul în care raportul dintre perioadele proprii de translaţie şi

torsiune (decuplate), se apropie de unitate. Apare un fenomen echivalent rezonantei

dinamice, datorat cuplării vibraţiilor de torsiune şi translaţie, care amplifică semnificativ

eforturile secţionale.

Datorită acestui fapt, se prevede în norme o excentricitate adiţională ( ), care introduce

e1

efectul dinamic al vibraţiilor de torsiune şi care se adună cu excentricitatea reală ( ) dintre

e0

centrul maselor (punctul de aplicare a forţei seismice de nivel) şi centrul de rigiditate.

e=e0+e1+e2,

in care e2 este excentricitatea accidentala care tine seama de diverse inexactitati in

calculul

excentricitatii reale si de componenta torsionala a excitatiei seismice; aceasta

excentricitate se considera egala cu (1÷5)% din dimensiunea cladirii perpendiculara pe

directia fortei seismice.

De remarcat că avem de a face cu un efort de torsiune împiedicată, ca urmare a

faptului că incastrarea stâlpilor, pereţilor şi nucleelor în fundaţii nu permite deplanarea

liberă a secţiunilor. Ca urmare, apare un supliment de tensiuni normale şi tangenţiale

datorate bimomentului, momentului de incovoiere-rasucire şi momentului de torsiune

pură. Valoarea acestor tensiuni poate fi de acelaşi ordin de mărime cu cele din

încovoiere.

În sfârşit, modelul structural devine mai riguros dacă sunt considerate (când sunt

importante) efectele interacţiunii „teren – structura” sau „structura-fluid” asupra

răspunsului seismic.

Proiectarea bazată pe performanta implică mai multe niveluri ale performanţei seismice

a construcţiilor:

(1)OP– OPeration– Operational;

(2)IO– Imediat Ocupation– Ocupanta imediata;

(3)LS–Life Safety– Siguranta vietii;

(4)CP–Crash Prevention–Prevenirea prabusirii.

Aceste cerinte se indeplinesc pentru un anumit nivel de hazard definit de un cutremur cu

un anumit IMR–Interval mediu de revenire. Astfel,

(1)IMR= 72 ani;

(2)IMR= 225 ani;

(3)IMR= 475 ani;

(4)IMR= 2475 ani.

Obiectivele de performanţă corespunzătoare sunt:

(1)Toate functiunile sunt operationale. Degradari neinsemnate.

(2)Cladirea ramane sigura pentru ocupanti. Reparatii minore.

(3)Structura ramane stabila si are rezerve de rezistenta. Stabilitateacomponentelor

nestructurale este controlata.

(4)Constructia ramane capabila sa sustina incarcarea gravitationala .Degradari si

pagube oricat de mari.

Cerinţele de performanţă conform Normativ P100–1/2006.

Nivel de performanţă.

(1)DL–Degradation Limitation– Limitarea degradarilor;

(2)LS–Life Safety–Siguranta vietii.

Nivel de hazard.

(1)IMR= 30 ani;

(2)IMR= 100 ani.

Obiectivele de performanţă:

(1) Degradari structurale/nestructurale controlate.Cladirea nu este scoasa din uz

(2) Structura ramane stabila si are rezerve de rezistenta. Stabilitatea

componentelor nestructurale este controlata. Cladirea se poate repara in

conditii economice.

Din punct de vedere al proiectării, cerinţele de performanţă DL şi LS sunt

satisfăcute dacă sunt îndeplinite condiţiile de verificare asociate stărilor limita SLU

şi SLS. Astfel,

pentru SLU, condiţiile de verificare se referă la exigenta de existenţa şi rigiditate

(control explicit) şi respectiv la exigente de ductilitate şi stabilitate histeretica

(control implicit). Similar, pentru SLS, trebuiesc respectate exigenţele de rigiditate

(control explicit).

c) Metode de calcul pentru determinarea răspunsului seismic.

Metoda de calcul static liniar, F.S.E. – Forte Seismice Echivalente;

Metoda de calcul dinamic liniar, C.M.S.R. – Calcul Modal cu Spectru de Raspuns;

Metoda de calcul dinamic liniar I.E.M.D. – Integrarea directa a Ecuatiilor

diferentiale Modale Decuplate;

Metoda de calcul static incremental neliniar – „Push-over”;

Metoda de calcul dinamic neliniar I.E.M.C.–Integrarea directa a Ecuatiilor

diferentiale de Miscare Cuplate.

Codul seismic românesc recomanda pentru proiectarea curentă metodele F.S.E.

şi C.M.S.R. Se indica alegerea unei anumite metode de calcul în funcţie de tipul

construcţiei (regulate sau neregulate în plan sau în elevaţie) şi de necesitatea

reducerii factorului de comportare (în cazul structurilor neregulate).

Metoda F.S.E. reprezintă varianta simplificată a metodei C.M.S.R., aplicată

când modul propriu fundamental de vibraţie de translaţie este predominant. Efectele

acţiunii seismice se determina prin calcul static liniar cu forţele seismice

convenţionale echivalente laterale aplicate separat pe cele două direcţii orizontale

principale ale structurii. Forţa tăietoare de bază se determina pe fiecare din cele două

direcţii, pentru primul mod propriu de vibraţie de translaţie pe acea direcţie.

Metoda F.S.E este intuitivă şi simplă din punct de vedere ingineresc fiind

potrivită pentru structuri care satisfac următoarele condiţii, pe cele două direcţii

principale orizontale:

Spectrul cerintelor (SA-SD)

Curba capacitatii structurii (A-D)

Acce

lera

tie sp

ectra

la S

A [g

]

criterii de regularitate in plan si elevatie din punct de vedere al alcatuirii

structurale; perioadele proprii ale primelor doua moduri de vibratie, de translatie,

corespunzatoare directiilor principale, sa fie mai mici decat 1,6 secunde.

Metoda C.M.S.R. are la baza suprapunerea răspunsurilor modale maxime

asociate modurilor proprii semnificative. Fiecare mod propriu de vibraţie este

caracterizat de frecvenţă, de vectorul propriu (formă de vibraţie) şi de fracţiunea din

amortizarea critică modala. Se determina răspunsul maxim pentru fiecare mod

propriu de vibraţie semnificativ şi prin suprapunerea răspunsurilor maxime (cu reguli

de compunere modală) se calculează răspunsul maxim total.

În calculul modal trebuie considerate toate modurile de vibraţie care contribuie

semnificativ la răspunsul modal. Criteriul frecvent utilizat în codurile de proiectare

considera un anumit număr de moduri proprii de vibraţie pentru care masa modala

efectiv antrenată în mişcare reprezintă cel puţin 80% din masă totală a structurii.

Dacă răspunsurile modale care au contribuţii semnificative în răspunsul

structural total pot fi considerate independente, atunci efectul total maxim este

estimat prin regulă de combinare SRSS-Square Root of Square Sum (rădăcina pătrată

din pătratul rădăcinilor). Dacă răspunsurile dinamice corespunzătoare unor moduri

alăturate nu sunt independente, atunci regulă de suprapunere este combinaţia

pătratica completă CQC- Completely Quadrat Combination.

Metoda Spectrului de capacitate se bazează pe compararea capacităţii structurii

de a se deforma şi a înmagazina energie cu cerinţele impuse de mişcarea

seismică (fig. 1). Reprezentările grafice fac posibilă evaluarea stadiilor de

degradare

a structurii

la acţiunea

seismică

definită

prin

spectrul

cerinţelor.

Parametrul esenţial în caracterizarea răspunsului seismic al unei structuri, atât

în satisfacerea exigentelor de siguranţă a vieţii, cât şi a celor de limitare a

degradărilor, este deplasarea laterală. Din acest motiv, asigurarea prin concepţie a

unei rigidităţi laterale suficiente devine primordială în proiectarea seismică. În acest

sens, răspunsul seismic al construcţiilor cu vibraţii de torsiune majore provocate de

cuplarea modurilor de vibraţie de torsiune cu cele de translaţie, este unul nefavorabil,

cu sporuri semnificative ale deplasărilor laterale.

Modul in care structurile raspund unei excitatii seismice, se exprima prin

spectrele de raspuns ale deplasarilor structurale, Sd , ale vitezelor Sv , sau ale

acceleratiilor, Sa , intre care exista urmatoarele relatii aproximative:

Sa (ω,ξ) = ω2Sd (ω,ξ) = ωSv (ω,ξ )

(1)

Unde, c~2 = k= 2πf = 2π - pulsatia (frecventa circulara) a oscilatorului liniar de

m T

masa ( m) si rigiditate ( k ), cu perioada proprie neamortizata T;

c - factorul de amortizare a oscilatorului liniar;

ξ ______

2mω

c - coeficientul de amortizare prin frecare interna a materialului vascos din care este

confectionata structura (pentru solide - modelul Voigt).

Prin spectre seismice de răspuns se înţelege reprezentarea grafică a valorilor

spectrale maxime ale răspunsului unui set de sisteme cu caracteristici dinamice

proprii diferite, în funcţie de perioada proprie neamortizata şi fracţiunea din

amortizarea critică. Spectrele de răspuns sunt caracteristice unei anumite mişcări a

terenului, fiind specifice amplasamentului în care a fost făcută înregistrarea.

Parametrii de care depinde răspunsul seismic (ag,β) au fost îmbunătăţiţi ca urmare a

prelucrării complete a datelor instrumentale disponibile pentru diferite zone ale

teritoriului.

Obţinerea spectrelor seismice de răspuns se poate face direct prin discretizarea

accelerogramei cutremurului, acurateţea rezultatelor depinzând de mărimea

intervalului de timp în care a fost discretizata înregistrarea. Deoarece spectrele

seismice prezintă numai valori maxime ale răspunsului, independent de istoria

mişcării terenului în timp, caracterul lor este aproximativ static. De asemenea

spectrele seismice nu furnizează informaţii referitoare la durata mişcării seismice.

În aplicaţiile practice se folosesc spectre medii de răspuns, care pot descrie o

mişcare seismică medie într-o anumită zonă. Aceste spectre au un caracter

convenţional, obţinându-se prin medierea spectrelor de răspuns normalizate la un

nivel unic de intensitate a mai multor cutremure înregistrate; pun în evidenţă, prin

intermediul spectrului Fourier, conţinutul de frecvenţă al accelerogramei din care

sunt obţinute. Astfel poate fi evaluată energia totală a sistemului cu un grad de

libertate dinamica-1GLD, la sfârşitul cutremurului, ignorând amortizarea, β.

Configuraţia spectrelor de răspuns depinde de proprietăţile geofizice şi

dinamice ale terenului din amplasamentul în care este situată structură. În terenuri

slabe, componentele cu frecvenţe înalte sunt rapid atenuate, iar cele cu frecvenţe

joase devin predominante şi în consecinţă efectele seismice maxime se vor întâlni la

clădirile cu structura de rezistenţă flexibilă. În terenurile tari, situaţia se inversează.

În proiectarea antiseismică a centralelor nuclearo-electrice şi a altor obiective

de importanţă deosebită (baraje, construcţii militare etc), se desemnează cutremurul

de proiectare în termenii unui set de curbe, cunoscute ca spectrul de proiectare pentru

diferite valori ale fracţiunii din amortizarea critică.

Spectrul de proiectare este o relaţie, relativ aplatizata, dintre acceleraţie,

viteza, deplasare şi perioadă, obţinută prin analizarea, evaluarea şi combinarea

statistică a unui număr de spectre de răspuns, ale unor cutremure puternice

înregistrate sau degenerate sintetic. Valorile numerice ale acceleraţiilor, vitezelor şi

deplasărilor din spectrul de proiectare, sunt obţinute prin multiplicarea valorilor

maxime ale acceleraţiilor, vitezelor şi deplasărilor, la nivelul terenului, cu aşa numiţii

factori de amplificare dinamică, care pun în evidenţă atât condiţiile locale de teren,

cât şi cele de focar pentru un cutremur oarecare. Acest coeficient dinamic, denumit şi

factor de amplificare după R.G. – Regulatory Guide 1.60 ale U.S. Atomic Energy

Commission sau factor de amplificare spectrală după Newmark şi Hall, reprezintă un

parametru de bază în realizarea spectrului de răspuns de proiectare. Factorul de

amplificare dinamică pentru acceleraţii este raportul dintre acceleraţia spectrală

maximă şi acceleraţia maximă în câmp liber.

Clădirile din beton armat construite în zone seismice înainte de anii 1960 au fost

proiectate să reziste în principal la încărcările gravitaţionale şi la vânt. Principalele

deficienţe ale cadrelor de beton armat proiectate la încărcări gravitaţionale se referă la

detalii constructive deficiente seismic şi lipsa principiilor de proiectare bazată pe

capacitate, conducând la o ductilitate locală şi globală redusă. În prezent, când acest tip

de structuri sunt supuse la o evaluare structurală, în conformitate cu prevederile

seismice aflate în vigoare, se descoperă că, în aproximativ toate cazurile este nevoie de

reabilitare. În articolul de faţă este analizată reabilitarea cu un sistem de contravântuiri

disipative a unui cadru de beton armat nedimensionat seismic. Se prezintă un studiu de

caz detaliat a unui cadru de beton armat, proiectat în conformitate cu prevederile din

anii ’50 şi reabilitat cu contravântuiri împiedecate la flambaj în conformitate cu

prevederile seismice în vigoare. Structurile din beton armat din regiuni de seismicitate

redusa spre medie au fost dimensionate tradiţional doar pentru încărcări gravitaţionale,

fără alte prevederi seismice. Aceasta categorie de clădiri este specifica pentru clădirile

proiectate între anii 1930 şi 1970, [1] când au fost implementate primele standarde de

proiectare seismica mai mult sau mai puţin echivalente cu cele moderne. Deşi metodele

practice de proiectare şi standardele au fost diferite în funcţie de aria geografica, aceasta

problema este comuna multor regiuni, ca şi SUA, Noua Zeenlandă, şi Europa.

Principalele deficiente în cadrele de beton armat proiectate gravitaţional sunt legate de

detalii constructive deficiente seismic şi lipsa principiilor de proiectare bazată pe

capacitate, conducând la o reducere a ductilităţii locale şi globale.

O cale a reabilitării antiseismice a clădirilor existente de beton armat este prin

îmbunătăţirea rezistentei, rigidităţii şi a ductilităţii elementelor de beton armat prin

diferite tehnici cum ar fi: adaosul de mortare de înalta rezistenta, cămăşuirea cu

elemente de otel, sau polimeri armaţi cu fibre. Aceasta abordare are avantajul păstrării

sistemului original structural, dar în cazul structurilor în cadre poate fi dificila

rigidizarea suficienta a structurii la forte seismice laterale.

O altă modalitate a reabilitării seismice a cadrelor de beton armat existente

poate fi adăugarea unui sistem de rezistenta la forte orizontale, cum ar fi diverse

tipologii de cadre contravântuite excentric sau centric cu contravântuiri de otel, vezi

Figura 1. Noul sistem structural poate fi dimensionat uşor ca şi sistem disipativ. Pentru

a limita deteriorarea structurii existente de beton armat şi pentru a concentra

deformaţiile plastice în sistemul disipativ al contravântuirilor de otel, ultimul ar trebui

sa prezinte o rigiditate mai mare decât primul. Acest obiectiv este îndeplinit natural în

cazul cadrelor de otel contravântuite. Depinzând de sistemul structural, elementele

disipative pot fi localizate în linkuri orizontale (vezi Figura 1a), linkuri verticale (vezi

Figura 1b), contravântuiri obişnuite sau contravântuiri împiedecate la flambaj (vezi

Figura 1c), sau elemente de colt (vezi Figura 1d).

(a) (b) (c) (d)

Figura 1.Tipologii diferite de cadre disipative: cadre contravântuite excentric în V

întors (a), cadre contravântuite excentric în Y întors (b), cadre contravântuite

concentric folosind contravântuiri cu flambaj impiedecat (c), cadre contravântuite

cu elemente disipative de colt (d).

Sunt câteva modalităţi în care elementele de otel pot fi aranjate înăuntrul cadrului

de beton armat. Elementele de otel pot fi conectate direct de elementele cadrului de

beton armat existent. (vezi Figura 2a). Câteva tipuri de sisteme de contravântuiri

disipative, ca şi cadrele contravântuite excentric în V inversat, nu pot fi utilizate în

acest caz. Elementele existente de beton armat vor fi solicitate unor eforturi axiale,

eforturi tăietoare şi momente încovoietoare suplimentare, care pot provoca necesitatea

de reabilitare locala a acestor elemente.

O soluţie alternativa consta în introducerea unui cadru complet în interiorul

cadrului de beton armat (vezi Figura 2b). Acest sistem are câteva avantaje în raport cu

cel precedent. Diversitatea alegerii tipologiilor de cadre este mult mare în acest caz.

Îmbinările dintre noul cadru de otel şi cadrul de beton armat existent pot fi realizate de-

a lungul unei interfeţe mai mari, conducând la concentrări mai mici de forte. În final,

forte mult mai mici datorate încărcării seismice vor fi împărţite pe elementele de beton

armat existente. O soluţie alternativa ar fi posibila, daca este folosit un cadru "parţial"

de otel, care este mult mai economic decât configuraţia formata din cadru complet,

otelul având avantajul unei interfeţe mai dezvoltate între noul cadru de otel şi structura

existenta de beton armat.

O configuraţie speciala este posibila când contravântuirile centrice de otel sunt plasate

în exteriorul cadrelor de beton armat. Avantajul acestei soluţii consta în limitarea

schimbărilor structurale a clădirii existente şi a întreruperii activităţii locuitorilor ei.

Ghobarah şi Abou Elfath au studiat performantele seismice ale clădirilor de beton armat

neductile reabilitate prin intermediul unor cadre contravântuite excentric. A fost studiat

efectul distribuirii contravântuirilor pe înălţimea cadrelor de beton armat în funcţie de

performanta seismica a clădirii reabilitate. Link-ul a fost conectat direct pe cadrul de

beton armat, vezi Figura 3. Autorii au concluzionat ca performanta seismica a cadrelor

de beton armat neductile reabilitate cu contravântuiri prinse excentric se aşteaptă sa fie

mai mare decât a celor reabilitate cu contravântuiri centrice. S-a demonstrat ca

distribuţia contravântuirilor excentrice pe înălţimea clădirii are un efect important

asupra mecanismului plastic. S-a sugerat ca o distribuţie a rezistentei în elementele

143

disipative pe înălţimea clădirii conduce la deplasări relative de nivel mai uniforme.

Câteva tehnici de consolidare a clădirilor existente din beton armat au fost studiate

experimental de Mazzolani et. al.. Au fost investigate următoarele tehnici: (1)

contravântuiri metalice împiedecate la flambaj, (2) contravântuiri din hotel prinse

excentric, (3) contravântuiri din aliaj cu memorie de forma, (4) panouri de forfecare

disipative, (5) sisteme de izolare la baza, şi (6) consolidări folosind polimeri armaţi din

fibre de carbon. În cazul contravântuirilor excentrice din otel în Y inversat s-a utilizat o

îmbinare directa pe elementul de beton armat.

Figura 3. Detalii de îmbinare a unui link

vertical de otel, Ghobarah şi Abou

Elfath [6]

Figura 4. Test experimental pe

contravântuiri

excentrice în Y inversat aplicat pentru

reabilitarea a unui cadru existent de

beton

armat, Mazzolani et. al. [7]

Un dispozitiv ieftin sub forma unui panou de forfecare pentru consolidarea

cadrelor metalice necontravântuite a fost investigat la Laboratorul European pentru

Evaluare Structurala (ELSA) de Schmidt. Deşi dispozitivul s-a intenţionat sa fie

înlocuibil (prins cu şuruburi), el a fost sudat în configuraţia ultimului test. Autorii au

demonstrat ca soluţia de reabilitare a condus la o reducere drastica a deplasărilor şi la o

comportare elastica a structurii reabilitate, cu un minim de schimbări structurale.

Consolidarea cu contravântuiri excentrice în Y inversat a cadrelor de beton armat cu

umplutura de cărămida dimensionate la încărcări gravitaţionale a fost investigate la

Laboratorul European pentru evaluare Structurala (ELSA) de către Bouwkamp. Unul

dintre zidurile de cărămida de umplutura a fost îndepărtat şi înlocuit de un sistem ductil

de contravântuiri excentrice din otel. S-a sugerat ca acest sistem cauzează inconveniente

minime în utilizare şi rezulta într-o rezistenta la încărcările laterale similara cu cea

iniţiala, dar cu creştere semnificativa a ductilităţii. Pentru a îmbina grinzile de otel şi

contravântuirile de cadrul de beton au fost utilizate ancore chimice.

Figura 5. Link disipativ într-un cadru contravântuit excentric în Y inversat, Schmidt.

Figura 6. Contravântuiri excentrice în Y inversat

pentru consolidarea cadrelor de beton armat,

Bouwkamp [9]

. Configuraţia de contravântuiri cu

elemente disipative de colţ, Balendra.

Un cadru contravântuit cu elemente disipative de colt, similar ca şi principiu de

cadrele contravântuite excentric, a fost investigata de Balendra. În acest sistem energia

este disipata prin deformaţii inelastice de forfecare a elementului disipativ de colt, în

timp ce contravântuirile sunt dimensionate pentru a preveni flambajul acestora.

Elementul de colt este avariat sub cutremure severe, dar este uşor de înlocuit după

aceea.

O recapitulare a cercetării trecute asupra sistemelor de contravântuiri

împiedecate la flambaj la nivel de componente, subansamble şi cadre a fost făcuta de

Uang. Contravântuirile cu flambaj împiedecat sunt obţinute prin dispunerea unei inimi

de otel ductile în interiorul unui cheson de otel, care este umplut cu mortar sau beton.

Înaintea turnării mortarului sau betonului, se adăuga un material de interfaţa între inima

de otel şi mortar pentru a preveni transferul forţelor axiale între inima de otel şi mortar

şi în final asupra chesonului de otel. Avantajul acestui sistem fata de contravântuirile

convenţionale este ca este preîntâmpinat flambajul acestor contravântuiri, ceea ce

rezulta în caracteristici similare la întindere şi la compresiune, şi îmbunătăţesc

răspunsul ciclic în comparaţie cu contravântuirile convenţionale. Contravântuirile cu

flambaj împiedecat au fost folosite pentru consolidarea clădirilor existente de beton

armat lipsite de dimensionarea antiseismică, Brown.

Un sistem cu contravântuiri exterioare pentru reabilitarea unei clădiri existente de beton

armat a fost certificat în Japonia de către Corporaţia HAZAMA. Reabilitarea seismica a

unei clădiri poate fi făcuta şi fără a afecta utilizarea şi a calitatea condiţiilor de trai.

(a) (b)

Figura 8. Conceptul contravântuirilor cu flambaj împiedecat, [11] (a), şi interpretarea

arhitecturala a unei clădiri de beton armat reabilitata seismic, Brown et. al. [12].

.

Figura 9. Sistem de contravântuiri în afara cadrului dezvoltate în Japonia

de Corporaţia HAZAMA, [13].

În afara cadrelor de beton armat, sistemele de contravântuiri disipative se poate

aplica şi cadrelor din beton armat cu umplutura, la fel şi structurilor din zidărie. În

ultimul caz, o parte a zidăriei trebuie îndepărtata şi înlocuita cu un sistem de

contravântuiri disipative. Poate fi necesara o interfaţa de beton armat sa fie necesara

pentru un transfer adecvat al forţelor de la structura de zidărie la sistemul de

contravântuiri disipative.

România este o tara cu un grad ridicat de seismicitate. Înainte de 1963, când a

fost introdus primul standard seismic cu caracter obligatoriu, cadrele din beton armat

erau dimensionate sa reziste doar la încărcări gravitaţionale. Ulterior, standardul a

cunoscut dezvoltări (de ex. în 1978, 1991, 2006) ultimul fiind aliniat la norma

europeana Eurocode 8. Practic aproape toate clădirile localizate în zone seismice,

dimensionate înainte de anii 1960 trebuie evaluate şi consolidate.

Scopul este reabilitarea seismica a unei structuri din beton armat dimensionata

doar la încărcări gravitaţionale (notat MRF) utilizând contravântuiri de otel cu flambaj

împiedecat (notat BRB). Au fost folosite materiale obişnuite utilizate în anii ‘50, cum ar

fi beton B200 (corespunzând la clasa C12/15 din Eurocode 2) şi otel OB38 (cu o

rezistent la curgere caracteristica de 235 N/mm2).

Cadrul a fost dimensionat doar la încărcări gravitaţionale conform standardelor

romaneşti vechi. Lăţimea efectiva a grinzii a fost considerata doar pentru secţiunile din

câmp (Figura 10). Calculul de rezistenta a fost făcut în conformitate cu standardele

moderne. Detalierea armaturii e caracteristica practicii din România a anilor ’50, după

cum urmează:

* Încărcelementele; Încărcare Utilă 2 şi 3 (U2 şi U3)– sub forma unor distribuţii tip şah

1. pentru armatura longitudinala: preluarea forţei tăietoare prin armaturi înclinate şi

lungimi de ancorare insuficiente la armaturile inferioare de pe reazeme.

2. pentru armaturile transversale: etrieri deschişi, dispuşi la distante mari unul de

celalalt (20 - 25 cm) în zonele plastic potenţiale.

O observaţie importanta privind structura este existenta în cadrele externe a unei

zidarii de umplutura cu o grosime de 0.38 m, şi cu o încărcare caracteristica de 18

KN/m3. În Tabelul 1 sunt prezentate încărcările, iar în Tabelul 2 combinaţiile de

încărcări, ambele în concordanta cu standardul original şi cu cel modern. Clădirea

este amplasata în Bucureşti.

Tabelul 1.

Tipuri de încărcări

ÎncărcăriStandard original

[KN/m2]

Standard modern

[KN/m2]

Încărcare Permanenta (P) 3.08 3.08Încărcare Utila* (U) – nivel 3.00 2.00Încărcare Utila (U) – nivel curent 1.50 1.50Încărcare din Zăpadă (Z) 1.00 1.60Încărcare din Vânt (V) 0.70 0.52

Tabelul 2. Combinaţii de încărcări

Combinaţii Fundamentale Standard original Standard modern1 1.3(P+U1+Z) 1.35P+1.5U1+1.05(Z+V)2 1.3(P+U2+Z) 1.35P+1.5U2+1.05(Z+V)3 1.3(P+U3+Z) 1.35P+1.5U3+1.05(Z+V)4 1.2 (P+U1+Z+V) P+U1+0.7(V+Z)

3.0 [m]

3.0 [m] BB

A B C D E D C B A

B B B B

A B C D E D C B A

A B B A

4.0 [m]_______4.0 [m]________4.0 [m]

3.0 [m]

B B

B B E E

A A C C D D2012 2016 2016

2 0 1 206/25 2 0 1 206/25

06/251012 1012

2 0 1 02 0 1 0 2 0 1 0

35 [cm]25 [cm]

06 /25 06 /25

25 [cm]0 6 / 2 0

beff = 100 [cm]2 0 1 02 0 1 0

A A10 [cm]

25 [cm]

6 0 1 43 0 1 2 2 0 1 220 [cm]

0 6 / 2 0 25 [cm]

B B25 [cm]

4 0 1 4

Figura 10. Geometria cadrului şi secţiunile grinzilor şi a stâlpilor.

Geometria cadrului şi secţiunile obţinute sunt prezentate în Figura 10.

Rezultatele verificării pentru secţiunile grinzilor şi ale stâlpilor sub încărcări

gravitaţionale sunt prezentate în Tabelul 3 şi Tabelul 4.

Tabelul 3. Verificarea grinzilor

Secţiune grinzi Efort Rezistenta Eforturi stand. orig. Eforturi stand. mod.

AM [KNm] 15.32 15.00 14.80Q [KN] 118.00 23.84 22.95

B M [KNm] 23.00 22.83 21.47

CM [KNm] 42.21 31.84 25.68Q [KN] 143.00 31.47 30.31

DM [KNm] 42.36 27.58 26.02Q [KN] 144.30 28.40 26.02

E M [KNm] 15.34 13.31 11.37

Tabelul 4. Verificarea stâlpilor

Secţiune stâlpi Efort Rezistenta* Eforturi stand. orig. Eforturi stand. mod.

AM [KNm] 43 4.25 7.72N [KN] 399.35 390

BM [KNm] 38 10.95 6.22N [KN] 371 368

* Momentului încovoietor de calcul corespunde efortului axial din încărcarea

gravitaţională

Au fost considerate următoarele soluţii de consolidare pentru îmbunătăţirea

comportării seismice a cadrului de beton armat: utilizarea contravântuirilor cu flambaj

împiedecat; confinarea stâlpilor de la parter şi etajul unu folosind polimeri armaţi cu

fibre de carbon (FRP); şi combinaţia celor doua soluţii.

Contravântuirile în V inversat, articulate la capete au fost introduse doar în

deschiderea din mijlocul a cadrului. Dimensionarea contravântuirilor cu flambaj

împiedecat s-a făcut conform Eurocode 3utilizând procedura descrisa în AISC 2005

[17]. Forţele seismice de calcul au fost obţinute utilizând o analiza spectrala folosind un

factor de comportare q egala cu 6. conform AISC 2005 cadrele cu contravântuiri cu

flambaj împiedecat şi cele cu contravântuiri excentrice poseda o ductilitate structurala

similara, având aceeaşi valoarea a factorului de reducere R. De aceea factorul de

comportare q pentru cadre cu contravântuiri împiedecate la flambaj s-a considerat egal

cu cel folosit Eurocode 8 [14] pentru cadre cu contravântuiri excentrice (q=6). Inima

contravântuirilor cu flambaj împiedecat s-a considerat a fi de forma dreptunghiulara.

Ariile secţiunilor inimii contravântuirilor au rezultat diferite pe fiecare nivel, după cum

urmează:

Aria contravântuirilor de la parter: A=250 mm2

Spectrul elastic (Bucuresti) - (ag=0.24g; Tc=1.6 s)

0 . 0

Acc

elera

tia S

e(T)

[m/s2

]

6 . 0

5 . 0

4 . 0

3 . 0

2 . 0

7 . 0

1.0Figura 11. Distribuţia maselor

h 3m 3 F 3

m 2 h 2 F 2

m 1 h 1 F 1

Aria contravântuirilor de la etajul unu: A=230 mm2

Aria contravântuirilor de la etajul doi A=112 mm2.

Analiza pushover a fost aplicata pentru a evalua diferenţele dintre cadrul original

(MRF) şi cadrele consolidate. Cerinţa de deplasare a fost estimata conform metodei N2

implementata în Eurocode 8. Acţiunea seismica este caracterizata de spectrul elastic de

răspuns, prezentat în Figura 12 (acceleraţia de vârf a terenului ag=0.24g, perioada de

colt TC=1.6 s). Performanta structurii a fost evaluata pe baza deformaţiilor inelastice

capabile corespunzătoare stării limită de Prevenire a Colapsului (PC). Un alt parametru

a fost mecanismului plastic.

F = mi*hi

unde, hi = înălţimea nivelului i relativ la baza cadrului şi mi = masa la nivelul i

calculata din combinaţia fundamentala P+0.4(U1+Z) şi distribuita în nodurile

principale.

Deformaţiile inelastice a elementelor structurale corespunzătoare stării limita de

prevenire a colapsului au fost definite în termeni de:

valori moment – rotire pentru grinzi şi stâlpi;

efort axial – deplasare pentru contravântuirile cu flambaj împiedecat.Ţinând cont

de detaliile constructive inadecvate folosite la alcătuirea elementelor din beton

armat, betonul a fost considerat ca fiind neconfinat]. Modelul pentru material s-a

considerat a fi în conformitate cu Kent & Park, ca şi material neconfinat cu

degradare liniara a rigidităţii şi fără rezistenta la întindere. Rezistenta la

compresiune a fost considerata egala cu f'c=12.5 N/mm2, în timp ce deformaţia

ultima ~f=0.015.

Tabelul 5. Rezistenta echivalenta de curgere a armaturilor

Element Secţiune Diametru [mm] Lbreq [mm] Lbav [mm] fy,eq [N/mm2]

Grinzi

AΦ12 505 225 104.70Φ10 421.2 225 125.53

CΦ10 421.2 250 139.48Φ12 505 250 116.34

D Φ10 421.2 250 139.48Stâlpi A, B Φ14 589.7 560 223.16

Datorită unei lungimi de ancoraj insuficiente a armaturii longitudinale inferioare a

grinzilor a fost utilizată o limită de curgere echivalentă a armaturii.

În Tabelul 5 se prezintă secţiunile în care a fost prezenta lungimea insuficienta de

ancoraj, cu valorile fyeq. Armaturile au o limita de curgere caracteristica de 235

N/mm2. Materialul din armaturi a fost modelat cu un comportament biliniar cu o

ecruisare conform Eurocode 3 [16].

În cazul grinzilor, lăţimea efectiva a fost considerata doar pentru secţiunile din

câmp, cu o valoare de 72 cm conform FEMA 356. Armaturile din placa pe lăţimea

efectiva a grinzii au fost de 4 Φ 8 mm la o distanta de 18 cm. Rigiditatea efectiva a

elementelor, corespunzând cu fisurarea secţiunii de beton, a fost determinata conform

FEMA 356 după cum urmează:

rigiditatea la încovoiere a grinzilor a fost redusa cu un coeficient de 0.5;

rigiditatea la încovoiere a stâlpilor a fost redusa cu un coeficient depinzând de

nivelul efortului axial din secţiune (Tabelul 6).

Tabelul 6. Reducerea rigidităţii stâlpilor conform [20]

NivelReducere rigiditateStâlpii externi Stâlpii interni

3 0.5 0.52 0.5 0.5251 0.7 0.67

Pentru analiza plastica, stâlpii şi grinzile au plasticitate concentrata la capete

definita ca şi relaţie moment – rotire biliniară rigid – plastică. Lungimea articulaţiei

plastice (Lp) a fost calculata conform Paulay şi Priestley, rezultând Lp (stâlp) = 0.19 m

şi Lp (grinda) = 0.21 m,

Idealizarea biliniară a relaţiei moment – curbura a fost obţinută considerând:

apariţia punctului de curgere în momentul în care o armatura a curs sau când

betonul a atins rezistenta la compresiune;

curbura ultimă a fost calculată la punctul în care materialele au atins deformaţia

ultimă (0.005 pentru beton şi 0.05 pentru oţel);

s-a considerat o ecruisare de 1% aplicată rigidităţii iniţiale (Figura 14).

Relaţia M-Φ a stâlpilor a fost obţinută la efortul axial din încărcările gravitaţionale.

M [K

Nm]

4 5

4 0

25

20

3 5

3 0

1 5

1 0

5

0

0 0.01 0.02 0.03 0.04

Φ[ 1/m]

Figura 14.

Relaţia M-Φ în secţiunea A a stâlpilor. Contravântuirile cu flambaj împiedecat

Relaţia M-Φ a stâlpilor a fost obţinută la efortul axial din încărcările gravitaţionale

Contravântuirile cu flambaj împiedecat au fost considerate articulate la capete. S-

a folosit un model de plasticitate concentrata. Materialul folosit pentru contravântuiri a

fost S235 şi pentru o lungime de 3.6 m a rezultat o deplasare de curgere de ∆y = 4 mm.

Deplasarea ultima ∆u a fost estimata pe baza rezultatelor experimentale prezentate în

testele lui Newell şi Higgins . Pe baza acestor rezultate, ductilitatea ∆u/∆y a fost

estimata la o valoare de 8.3 pentru întindere şi 7.5 pentru compresiune. Pentru obţinerea

rezistentei caracteristice ajustate (rezistenta la compresiune maxima Cmax şi rezistenta

la întindere maxima Tmax) au fost aplicate formulele din AISC 2005:

Tmax = ω⋅Ry⋅fy ⋅ACmax = ω⋅β⋅Ry⋅fy⋅A

unde, fy este rezistenta la curgere; Ry este raportul intre limita de curgere probabila şi

limita de curgere caracteristica (considerat egal cu 1). În ceea ce priveşte valorile

experimentale ale factorului de ajustare la compresiune β=1.05 şi factorului de ajustare

al ecruisării ω=1.25, aceştia s-au obţinut în acelaşi mod ca şi coeficientul ∆u/∆y, dar

utilizând formulele din AISC 2005

Pentru a spori ductilitatea stâlpilor din beton armat, s-a considerat confinarea lor

cu polimeri armaţi cu fibre de carbon. Ţesătura s-a aplicat în straturi orizontale, efectul

ei fiind de confinare a betonului. Efectul confinării cu fibra de carbon a fost determinat

în concordanta cu şi a constat în creşterea rezistentei betonului la compresiune şi a

ultimei deformaţii de la 0.005 la 0.02. În final, rezulta un mai bun comportament al

stâlpilor confinaţi. Rezistenta la compresiune corespunzătoare punctului de balans

creste de trei ori ( de la 987 kN la 2771 kN pentru secţiunea A a stâlpilor), iar cea a

momentului capabil corespunzătoare unui efort axial de 389.6 KN cu aproximativ 20%

(în secţiunea A a stâlpilor).

Analizele cadrului original au demonstrat un răspuns seismic nesatisfăcător al

acestuia. Prima articulaţie plastica apare în stâlp. Mecanismul plastic apare în

majoritatea stâlpişor de la parter şi etajul unu, dar şi în câteva grinzi de la etajul unu. De

asemenea deplasările relative de nivel la starea limita ultima indica concentrări ale

deteriorărilor la primele doua nivele. Rotiri plastice ultime corespunzătoare stării limita

de prevenire a colapsului apar mai întâi în stâlpi. Se poate observa ca structura are o

ductilitate globala limitata, deoarece stâlpii ating starea limita de prevenire a colapsului

la o deplasare la vârf de patru ori mai mica decât cerinţa de deplasare datorata acţiunii

seismice.

Reabilitarea cu contravântuiri cu flambaj împiedecat a crescut considerabil

rezistenta şi rigiditatea structurii , scăzând cu aproximativ 50% cerinţa de deplasare la

starea limita ultima. Primele articulaţii plastice sunt formate în stâlpi, fiind urmate de

cele din contravântuiri şi din grinzi. Mecanismul plastic implica din nou primele doua

nivele. Aceasta soluţie de consolidare reduce deteriorarea globala în structura datorita

scăderii numărului de articulaţii plastice formate în elementele de beton armat la cerinţa

de deplasare. Oricum, performanta seismica rămâne nesatisfăcătoare, deoarece

deformaţiile inelastice corespunzătoare stării limita de prevenire a colapsului sunt

înregistrate în stâlpi, contravântuiri şi grinzi înaintea atingerii cerinţei de deplasare.

Ca şi o alternativa a reabilitării cu contravântuiri cu flambaj împiedecat, a fost

investigata posibilitatea îmbunătăţirii performantei seismice prin confinarea stâlpilor cu

FRP. Ţesătura de FRP s-a considerat aplicata doar în direcţie orizontala, ceea ce asigura

o confinare a betonului dar care nu acţionează ca şi o armatura suplimentara. Efectul

aplicării FRP a fost o creştere a rezistentei la compresiune şi a ductilităţii stâlpilor, dar

doar o creştere uşoara a rezistentei la încovoiere. Răspunsul global al structurii nu s-a

schimbat semnificativ datorita aplicării FRP-ului, dar deformaţia ultima a stâlpilor

(corespunzătoare stării limita de prevenire a colapsului) a fost redusa. În acest fel,

primele articulaţii plastice se formează în grinzi iar în ceea ce priveşte deformaţia

ultima a stâlpilor este atinsa la o cerinţa de deplasare mai mare decât în cazul cadrului

original. De asemenea, deplasarea la vârf şi cerinţa de deplasare relativa de nivel la

starea limita ultima nu se schimba semnificativ în comparaţie cu cadrul iniţial.

Consolidarea cadrului de beton armat cu ajutorul contravântuirilor cu flambaj

împiedecat nu a eliminat cedarea elementelor de beton armat. De aceea, s-a considerat o

consolidare care îmbină metodele FRP şi BRB.

Efectul principal al sistemului BRB este îmbunătăţirea caracteristicilor globale la

nivel de forţa deformaţie (creste rezistenta şi rigiditatea), în urma cărora rezulta

o scădere a cerinţei de deplasare la starea limita ultima (Figura 18). Pe de alta

parte, tehnica FRP îmbunătăţeşte comportarea locala a stâlpilor prin creşterea

ductilităţii, acesta fiind motivul atingerii deformaţiei ultime după cerinţa de

deplasare. De asemenea trebuie specificat ca primele articulaţii plastice în stâlpi

sunt atinse în stâlpii neconfinaţi de la etajul doi. În consecinţă, stâlpii suferă

avarii mai reduse (Figura 17d şi Figura 18). Cerinţele inelastice în grinzi şi în

contravântuiri sunt încă mari. Deformaţiile ultime de prevenire a colapsului în

contravântuiri şi în grinzi sunt atinse la o deplasare de vârf mai mica decât

cerinţa de deplasare la starea limită ultimă.

Cerinţele mari inelastice de deplasare în elementele disipative (contravântuirile

cu flambaj împiedecat) şi în elementele de beton armat existente, sunt parţial

cauzate de conţinutul de frecvente al spectrului de răspuns din Bucureşti. Acesta

este caracterizat de o valoare mare a perioadei de colt TC care este atribuita

condiţiilor de teren moale din Bucureşti. Cerinţele inelastice sunt mai mari când

perioada fundamentala a structurii este mai mica decât perioada de colt TC. În

consecinţa, dimensionarea sistemului disipativ (contravântuirile cu flambaj

împiedecat) ar trebui realizat pe baza unui factor de comportare q mai mic decât

cel de referinţa. În aceasta ipoteza, s-a considerat un nou sistem, compus din

consolidarea cu FRP a stâlpilor şi reabilitarea globala cu BRB, unde

contravântuirile au fost dimensionate bazându-ne pe forţele seismice

corespunzătoare unui factor de comportare q egal cu 3. Practic, în acest mod, aria

secţiunii contravântuirilor cu flambaj împiedecat a fost dublata în raport cu cele

determinate în subcapitolul precedent.

După cum se poate observa rezistenta globala a sistemului creste în raport cu cea a

sistemului dimensionat cu un factor q=6. În schimb, rigiditatea creste uşor. Cerinţele de

deplasare relativa de nivel se concentrează în primele doua niveluri dar sunt mult mai

mici decât pentru celelalte soluţii de consolidare. Astfel, deşi răspunsul global structural

este îmbunătăţit, deformaţiile inelastice în contravântuiri şi în grinzi sunt încă mici fata

de cerinţa de deplasare.

Tabelul 7. Perioadele fundamentale de vibraţie şi cerinţele de deplasare

Tipul Structurii Perioada T [s] Cerinţa de deplasare dt [m]MRF + FRP + BRB (q=3) 0.54 0.164MRF + FRP + BRB (q=6) 0.64 0.222MRF + BRB (q=6) 0.64 0.224MRF+FRP 1.0 0.395MRF 1.0 0.39

Num

arul

de

etaj

e

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070Deplasarea relativa de nivel [rad]

2

3

1

MRF MRF+FRP MRF+BRB

(q=6)Figura 19. Cerinţele de deplasare relativa

de

Concluzii

Cadrele din beton armat dimensionate doar la încărcări gravitaţionale aflate în

zone cu seismicitate ridicată sau moderată, au nevoie de reabilitare seismica pentru a

îndeplini cerinţele moderne de proiectare antiseismică. Efectul principal al sistemului de

contravântuiri disipative este îmbunătăţirea rezistentei şi rigidităţii globale a structurii.

Totuşi, aplicarea contravântuirilor disipative nu este suficientă pentru o performanţă

seismică corespunzătoare. În plus, elementele structurale de beton armat ar trebui

consolidate. Soluţia cea mai convenabila pare a fi aplicarea de polimeri armaţi cu fibre

pe grinzi şi stâlpi.

Investigaţiile întreprinse au demonstrat că reabilitarea seismică a cadrelor de beton

armat neseismice nu poate fi îndeplinită doar prin simpla aplicare a unui sistem ductil şi

disipativ de contravântuiri fără o consolidare adecvată a elementelor de beton armat. În

analiza de faţă a fost analizată doar confinarea stâlpilor cu polimeri armaţi cu fibre.

Performanţa seismică a cadrelor reabilitate cu contravântuiri împiedecate la flambaj ar

fi mai bună dacă atât grinzile, cât şi stâlpi ar fi consolidaţi cu polimeri armaţi cu fibre.

De fapt, dacă consolidarea cu polimeri armaţi cu fibre ar fi suficient de efectivă, grinzile

şi stâlpii al lucra doar în domeniul elastic, în timp ce sistemul ductil de contravântuiri

cu flambaj împiedecat ar fi responsabil de comportamentul disipativ al structurii.

BIBLIOGRAFIE1. „Reabilitarea Construcţiilor” – M. Budescu, P.I. Ciongradi, N. Taranu, I. Gosav,

s.a.-Editura Vesper 2001.2. „Cutremurul de pamânt din România de la 4 martie 1977 ” – Editura Academie,

1982.3. „Structures Made Of Composite Materials”- N. Tăranu, D. Isopescu; Editura Vesper

19964. „Dinamica Constructiilor”- Valeriu Banut, Mircea Eugen Teodorescu.- Editura

Tehnica 2005.5. „Vibratii Mecanice”- Gh. Buzdugan, L. Fetcu, M. Rares – Bucuresti, Ed. Didactica si

Pedagogica 1982.6. „Structuri din materiale compozite si asociate”- N. Tăranu, Al. Secu, D. Isopescu;

Editura Tehnică Universitară 1992.7. „Consolidarea si Intreţinerea Constructiilor”- Editura Tehnică, Bucureşti 1992.8. „Probleme privind patologia şi terapeutica construcţiilor”- Editura Tehnică,

Bucureşti 1976.9. A l d e a A. , A r i o n C. , V a c a r e a n u R. , L u n g u D. – „Evaluarea

vulnerabilitatii la cutremur a cladirilor.Metode de calcul si prioritati de consolidare ”, Buletin AICPS nr. 1/2003.

10. G i n j u S. – „Contributii la analiza numerica neliniara a structurilor industriale tinand cont de efectul amortizarii si degradarea structurala”, Teza de doctorat, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, 2004

11. N i c a - U d a n g i u G. R. – „Studiu de caz privind analiza modala a structurii de rezistenta a blocului „Scala” Bucuresti”, Referat doctorat, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Martie 2007.

12. P o p a T. – „Consideratii privind metodele de calcul la torsiune a cladirilor”, „Constructii”, nr. 2, 2000,

13. T o b a S. –„Consideratii asupra ductilitatii cadrelor din beton armat”, Referat doctorat: „Concepte moderne de elasticitate, plasticitate si element finit”, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, 14.02.2008.

14. T u l e i E., C r e t u D., T o p a N., –„Controlul performantelor unei structuri metalice multietajate supuse la actiuni seismice”, A 3-a Conferinta Nationala de Inginerie Seismica, Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, 09.12.2005.

15. Fajfar, P. (2000) A Nonlinear Analysis Method for Performance Based Seismic Design în Eurocode 8 Annex B (Informative) Determination of the target displacement for nonlinear static (pushover) analysis.

16. P100-1/2006 (2006). Cod de proiectare seismica - Partea I - Prevederi de proiectare pentru cladiri.

17. FEMA 356, (2000) Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings, Federal Emergency Management Agency, Washington (DC)

83

reabiliatre structurala + final

Documents