Anexa 2DEFINIREA PROGRAMULUI EXPERIMENTAL PENTRUSITEME CU CONTRAVANTUIRI CENTRICE ECHIPATE CUDISIPATORI CE LUCREAZA PRIN FRECAREDrd.Ing. Filip Vacarescu Norin1. IntroducereSistemul static al structurii de rezistenta al unei cladiri cu mai multe etaje reprezinta in toate alternativele de alcatuire un sistem spatial, capabil sa preia si sa transmita fundatiilor efectul incarcarilor verticale, greutatea proprie, incarcarea utila si efectul fortelor orizontale care actioneaza asupra cladirii din actiunea vantului si incarcarea seismica.Efectul de lucru spatial este asigurat atat prin caracterul legaturilor dintre elementele componente, stalpi si rigle si eventualele contravantuiri verticale sau sub forma unor diafragme din beton armat, cat si prin planseele fiecarui etaj care formeaza saibe orizontale in structura spatiala si care au o mare rigiditate in planul lor.Structurile in cadre metalice se pot clasifica in general in 3 tipuri in functie de modul in care rezista la actiunea fortelor laterale: cadre necontravantuite (cu noduri rigide) (MRF) cadre contravantuite centric (CBF) cadre cu contravantuiri excentrice (EBF)Pentru o proiectara optimala a acestor structuri trebuie gasit un compromis intre cerintele structurale de rezistenta, rigiditate si ductilitate si cerintele arhitecturale.Pentru verificarile la starile limita ultime, metodele de dimensionare a structurilor situate in zonele seismice pot conduce la doua concepte diferite, care conduc la urmatoarele tipuri de proiectare a structurilor : structuri disipative structuri izolate de actiunea seismica. structuri cu amortizare suplimentaraPentru structurile izolate de actiunea seismica si cele cu amortizare suplimentara structura este conceputa pentru a evita intrarea in domeniul plastic prin dispunerea unor dispozitive care pot absorbi energia seismica si pot modifica perioada proprie de vibratie a structurii pana la niste valori favorabile ale comportamentului global.Prima alternative cea de structuri ductile duce la conceperea structurilor dissipative. Contrar structurilor nedisipative, care pot rezista unui seism doar prin comportare elastica, structurile disipativesunt calculate i proiectate astfel incat ele sa permita plastificarea anumitor zone, denumite i zone disipative. Acestea au rolul de a disipa energia cinetica indusa de micarea seismica prin intermediul unui comportament histeretic in domeniul plastic. Partile structurale concepute ca fiind nedisipative trebuie dimensionate in asa fel ca ele sa ramana in domeniul elastic.

Cadrele dissipative se pot clasifica in functie de tipul si natura zonelor dissipative.Astfel putem mentiona aici 3 categorii : cadre contravantuite centric Fig.:a,b,d cadre contravantuite excentric Fig.:c a.b.c.d. e.cadre necontravantuite Fig.: ePentru cadrele contravantuite centric zonele disipative sunt in contravantuirile supuse la intindere , cele supuse la compresiune sufera fenomenul de flambaj. Performantele disipative a acestui sistem de contravantuire sunt limitate datorita flambajului repetat ce duce la o degradarea a comportarii ciclice odata cu crestera numarului de cicluri.Obiectul cercetarii este de a analiza performantele cadrelor contravantuite centric si imbunatatirea performantelor acestora prin dispunerea de amortizori pe contravantuiri.2. Cadrul supus analizeiModelul folosit in analiza provine dintr-o structura spatiala cu 3x3 deschideri prezentat in Figura 1.

Fig.14,50

Pentru analiza am lucrat cu un cadru plan de tip dual MRF + CBF pe 5 nivele cu inaltime de etaj de 2.4 m Figura 2.Fig.4 Spectrul elastic normalizatElementele disipative (contravantuirile) au fost dimensionate din combinatia de incarcari G + E + 0.4Q iar cele nedisipative ( riglele si stalpii cadrului central ) au fost dimensionate din combinatia de incarcari G + QE +0.4Q. unde pentru o analiza simplificata valorile Q au fost alese din Tabel.l (conform P100-1/2006 ).Tabel F.2VALORI ALE PRODUSULUI 1,1 ym 2

Tipul stracturii

a) Cadre necontravantuite3,0

b) Cadre contravantuite centric2,0

e) Cadre contravantuite excentric2,5

d) Pendul inversat2,0

e) Cadre duale

- cadre necontravantuite + cadre contravantuite centric2,0

- cadre necontravantuite + cadre contravantuite excentric2,5

Tabel l.Valori ale produsului 1.1 y Q

Figura 3.Dimensionare elemente3. Evaluarea pe criterii de performanta a cadrului analizatPentru determinarea raspunsului structurii la incarcari seismice s-a realizat o analiza dinamica (time-history) neliniara folosind accelerograma cutremurului Vrancea 1977 , inregistrarea INCERC Bucuresti , componenta NS, PGA= 0.19g , Tc = 1.36 sec .Accelerograma a fost scalata astfel ca spectrul inregistrarii seismice sa fie apropiat de spectrul elastic de proiectare .

S-a folosit o analiza incrementala dinamica la diferite nivele de acceleratie ( X = 0.2-1.6 din valoare acceleratiei de proiectare ag= 0.24g ) urmarindu-se mecanismul de formare a articulatiilor plastice, deplasarea relative de nivel si valorile rotirilor plastice in grinzi si contravantuiri valori comparate cu valorile admise conform unei dimensionari bazate pe criterii de performanta avand la baza normativul P100 si documentul FEMA.Verificarea conditiilor se face la 3 stari limita : - SLS X =0.4 SLU X =1.0 CPLS X =1.22

Drift -Drift +Valorile deplasarilor relative de nivel au fost reprezentate grafic in functie de multiplicatorul de acceleratie Figura 5.Figura 5.Deplasarea relativa de nivelPrima articulatie plastica apare la un multiplicator X=0.8 din valoarea accelerogramei si este localizata in contravantuiri .Acest lucru arata ca nu exista deplasari remanente de nivel la acceleratii corespunzatoare SLS ( X=0.4 ).In plus deplasarile relative de nivel au valoarea maxima 0.0041. Aceasta valoare este mai mica decat 0.008 impusa de normativul P100 pentru satisfacerea cerintelor la SLS valoare ce este in concordanta cu documentul FEMA care da 0.5% pentru cadrele contravantuite . Pentru verificarea la SLU se verifica rezistenta elementelor conform P100 si in plus se verifica deplasarea relativa care trebuie sa fie mai mica decat 2.5% conform P100 o valoare care este insa un pic cam mare.Documentul FEMA da o valoare restrictiva de 1.5% pentru cadrele contravantuite. si 2.5% pentru cadrele necontravantuite . La prevenirea colapsului standardul romanesc nu ofera prevederi suplimentare pentru CPLS consideranduse indeplinirea cerintelor daca sunt indeplinite prescriptiile de la SLU . FEMA recomanda valoarea de 2.0% pentru cadre contravantuite si de 5 %

pentru cele necontravantuite .In plus la prevenirea colapsului se verifica capacitatea de rotire a elementelor care trebuie sa fie mai mica decat 0.035 radiani in grinzile MRF .4. Sistemul de consolidare - amortizori pe baza de frecareO solutie moderna pentru reducerea raspunsului la actiunea seismica o reprezinta cresterea amortizarii structurii.In acest scop se pot identifica mai multe metode dezvoltate pe plan mondial ce urmaresc realizarea acestei cresteri a amortizarii ce duce la o imbunatatire semnificativa a raspunsului structurilor situate in zone seismice.Aceste metode au fost studiate atat pentru a fi aplicate la cladiri noi dar si pentru a putea fi utilizate pentru a imbunatatii performantele seismice a cladirilor deja existente.Schimbarea proprietatilor dinamice ale structurii se poate face prin mai multe metode cum ar fi : Metoda de izolare a bazei sau folosirea unor amortizori de masa acordata Utilizarea contravantuirilor in diferite geometrii cu diferite modalitati de disipare a energiei Fig.5 Utilizarea panourilor metalice de forfecare

Disipatorii pe baza de frecare sunt dispozitive histeretice care disipeaza energie prin intermediul frecarii dintre 2 sau mai multe suprafete de alunecare.Astfel introducerea disipatorilor cu frecare pentru o amortizare suplimentara reduce semnificativ actiunea fortelor laterale de inertie cat si amplitudineavibratilor.Performantele lor sunt stabile si repetabile.Acestia prezinta curbe histeretice largi de forma rectangulara si se pot folosi atat in sisteme pasive cat si in sisteme semi active de control si amortizare.Cateva exemple de alcatuire si adaptare la sisteme de contravantuiri se dau in figura de mai jos:

II100150i0in-50ii1i-100i-3depl./ amort.3mm/ 77% 2.5mm/ 79% 2.2mm/ 86% 1.7mm/ 93%- 1.5mm/ 92%i-1Dispozitiv SERB 194 - 3 incercat la IM S al Academiei RomaneLa noi in tara sunt putine exemplele de cladiri unde s-au utilizat dispozitive de amortizare.Un exemplu ar fi consolidarea corpului B din complexul administrativ NAVROM in solutia SERB-SITON prin controlul , limitarea si amortizarea miscarilor seismice .Aceasta este prima aplicatie industriala in domeniul constructiilor civile a acestei solutii de consolidare care se refera la controlul, limitarea si amortizarea miscarii cladirii din punct de vedere seismic.Aceasta sa realizat cu ajutorul unor dispozitive mecanice tip SERB montate in contravantuiri dispozitive de amortizare pe baza de frecare.Utilizarea cotravantuiriilor telescopice permite pastrarea flexibilitatii cladirii la deformatii mici si medii ceea ce asigura transmiterea actiunii seismice de la terenul de fundare cu forte relativ mici precum si disiparea energiei seismice la deformatii mici ale cladirii fara aparitia de articulatii plastice.Dispozitivele SERB si caracteristicile lor pot fi

jNCERCARI EXPERIMENTALE, CARACTERISTICA DE HISTEREZIS SI PRODUSEDispozitivele nu au limita inferioara de functionare, ele au amortizare la orice deformatie dx diferita de 0. Deformarea maxima la dispozitivul de capacitate medie de 100t este de +/- 15 mm (care asigura o deplasare relativa de nivel de 0.5%) iar cel de 150t este de +/-20mm .Urmatoarele valori ale rigiditatii au fost propuse pt analiza K1 = (20- 60)x10**6 pentru o deformatie cuprinsa intre 0-2 mm si K2 = (120-480)x10 **6 N/m pentru o deformatie de 2-15 mm si o capacitate de amortizare c = (3.5-20)x 10**55. Evaluarea cadrului consolidat

Figura 6.Pentru analiza cu amortizori contravantuirile cadrului central au fost inlocuite cu elemente de tip link care trebuie sa modeleze comportarea amortizorilor reali. Amortizorii folositi sunt de productie autohtona sunt dispozitive de tip SERB-B-194C cu caracteristica histeretica furnizata de producator pe baza incercarilor experimentale prezentata in Figura 6.

Problema determinanta este de modelare a acestei comportari histeretice a elementului de tip link in programul de calcul folosit pentru a avea o prima estimare a comportarii structurii dotate cu asemenea dipozitive.Dispozitivele au amortizare la orice deformatie dx diferita de 0.Deformatia maxima la dispozitivul de capoacitate medie de 100t este de +/- 15 mm.Programul SAP2000 ne pune la dispozitie 3 tipuri de comportare histeretica de tip Kinematic (Fig.7), Takeda (Fig.8) si Pivot (Fig.9).Fig.7Fig.8

Fig. 9Primele doua curbe de tip Kinematic si Takeda au fost folosite pentru a se incerca aproximarea curbei furnizate de producator. In realitate dispozitivele sunt legate la baza contravantuirilor dar pentru analiza in cauza intreaga comtravantuire a fost inlocuita folosind o rigiditate echivalenta Kech rezultata din legarea in serie a celor doua elemente cu rigiditatile corespunzatoare.S-au facut analize consecutive de tip push over cu controlul deplasarii la +/- 2, +/- 4, +/- 6.Rezultatele sunt prezentate grafic in termeni de Forta-deplasare dupa cum urmeaza :

Fig.10 :Comportarea de Kinematic a elementului linktip

Fig.11 :Comportarea de tip Takeda a elementuluiCea mai buna aproximare a ariei determinata de curba de control SERB este realizata prin folosirea unei comportari de tip Takeda .Aceasta comportare a fost folosita in continuarea analizei pe cadrul plan prezentat anterior.Caracteristica principala urmarita a fost din nou deplasarea relativa de nivel reprezentata grafic in Figura 12 in comparatie cu driftul obtinut in cazul contravantuirilor .Figura 12 Drift-ul de nivel pentru comportare Takeda (sus) vs. drift-ul fara dispozitive de amortizare (jos).

Drift + Drift -800-6f CN1/ CD 00 o/ V-800KinematicSERBPentru o alta comparatie am folosit si o comportarea de tip Kinematic (Figura 13) standard care cuprinde in aria ei aria graficului forta deplasare furnizata de producator.Figura 13 Comportare de tip Kinematic

Fig.14 Dift + Drift -Folosind aceasta comportare a elementelor link analiza a fost reluata deplasarea relativa de nivel fiind comparata din nou cu cea obtinuta fara dispozitivele de amortizare .Fig14Comparand curbele de drift in cele doua configuratii structurale se poate observa ca ele sunt aproximativ asemanatoare ca si forma.Acest lucru arata ca modelarea comportarii structurii dotate cu sisteme de amortizare prin elemente de tip link poate fi folosita pentru studierea comportarii structurii. Aceasta modelare poate fi folosita deci in continuare in evaluarea performantelor structurilor supuse la incarcari seismice in diferite configuratii structurale si forme ale accelero- gramelor.Urmarind valorile deplasarilor relative de nivel se observa valori apropiate atat in cazul cu comportare de tip Kinematic cat si in cel cu comportare de tip Takeda.Pentru valori mici ale multiplicatorului nu se observa diferente semnificative intre cele doua modele cu si fara disipatori cu deplasarea relativa de nivel un pic mai mare in cazul celor cu amortizori datorita unei rigiditati mai reduse.Avantajul disipatorilor apare la valori mari ale perioadei ( pentru un multiplicator de peste 1.4) cand structura cu contravantuiri ajunge la cedare.Structura care a fost modelata cu disipatori inregistraza deformatii mai mici si se evita cedarea.Figura 15 Folosirea amortizorilor duce la imbunatatirea calitatilor ductile a structurii evitand o cedare fragila a structurii.

Disipatori CBFFig.15Aceste dispozitive SERB au fost insa gandite pentru a functiona la o perioada de peste 1.5 sec .Avantajul este ca pot reda o reducere prestabilita a deplasarii daca sunt calibrate corect.Se poate observa reducerea drift-ului in Fig 14 pentru valori de peste 1.2 a multiplicatorului acceleratiei adica peste perioada inregistrarii vrancea 77 folosite de 1.36.Problema apare in modelarea cat mai exacta a comportarii elementelor link pentru a modela cat mai exact comportarea reala cu intarire de rigiditate .Aceasta modelare face obiectul studiilor ce se vor desfasura in continuare cu scopul de a putea calibra si modela pe viitor dispozitivele de amortizare adaptandu-le cat mai bine la structura in cauza si urmarind niste criterii de performanta prestabilite.

6. Definirea modelului experimentalModelarea experimentala este un pas necesar pentru validarea modelelor numerice si pentru a urmari comportarea disipatorilor pe baza de frecare intr-un cadru prestabilit .Pentru incercarile experimentale se va extrage cadrul parter din cadrul curent (Fig 16 ). :

Fig.16

Cadrul urmeaza sa fie incercat atat in configuratie clasica ( cu contravantuiri centrice ) dar si in varianta consolidata cu dispozitivele de amortizare montate la baza contravantuirilor :

Fig.17

Cadru experimental in varianta clasica (Fig.17)Cadrul de baza urmeaza sa fie incercat atat in regim monoton si ciclic pentru a determina deformatiile maxime ce duc la cedarea elementelor si fortele maxime induse in cadru .Aceste incercari vor fi urmate de incercari ciclice urmarind modul de cedare si deformatiile cadrului in varianta sa normala .In aceeiasi maniera se va proceda la analizarea cadrului dotat cu dispozitive de amortizare , eventual in mai multe configuratii cea de baza cu dispozitivele de amortizare amplasate la baza contravantuirii fiind prezentata mai jos :

Cadru experimental in o varianta cu amortizori la baza contravantuirilorCadrul experimental va fi asezat pe un cadru existent in configuratia lui actuala in laboratorul de incercari .Pentru aplicarea fortelor laterale se vor folosi actuatorii din dotare care vor fi atasati la partea superioara a cadrului.Un tip de dispunere a amortizorilor se poate vedea in figurile de mai jos :

Fig.18Pentru fiecare configuratie a cadrului incercarile vor fi precedate de incercari pe cadrele in varianta fara dispozitive de amortizare.Fiecare din cele 3 variante se vor incerca in regim monoton si in regim ciclic pentru a determina parametrii initiali.Cele 3 variante de dispunere a amortizorilor vor fi incercate numai in regim ciclic fiind la randul lor precedate de incercari separate pe dispozitivele de amortizare.Se propun doua variante de amortizori cu proprietati diferite ce vor fi incercati cu presa INSTRON din dotarea laboratorului CMMC acestia urmand sa fie apoi montati pe cadrele experimentale in configuratiile amintite mai sus.Standul experimental existent in laboratorul CEMSIG (CMMC) urmeaza a fi adaptat pentru incercarile cadrului contravantuit centric dotat cu disipatori .Standul poate fi vazut mai jos asa cum a fost el folosit la incercari anterioare:

Stand experimental Fig.19

7. Incercari experimentale pe amortizori de tip SERBPentru determinarea caracteristicilor histeretice ale amortizorilor programul experimental debuteaza cu incercari ciclice pe cei doi disipatori SERB cu capacitatile de 800kN si 1500 kN.Fiecare din cele doua dispozitive a fost incercat folosind presa INSTRON din dotarea laboratorului CMMC cu o capacitate de 1000 kN.Cele doua dispozitive au fost supuse unei incercari monotone si unor incercari ciclice.

SerieslDisipatorul SERB de 800 kN a fost incercat la capacitate maxima folosind cicluri de incarcare prezentate in figura 20 si 21

SerieslFig.20 Incercari monotone pentru SERB800Fig.21 : Protocol de incarcare pentru SERB800

Fig.22 Protocol de incarcare pentru SERB1500Montajul experimental este prezentat in Figura 23.:Fig.23:Montaj experimentalDisipatorul SERB de 1500 kN a fost incercat folosind cicluri de incarcare prezentate in fig.22.

Incercarile ciclice s-au desfasurat in regim cvasi-static stabilind curbele de comportare pentru cele doua dispozitive . Curbele obtinute experimental sunt in concordata cu comportarea oferita initial de producator (Fig.6).Curbele histeretice sunt prezentate in Fig.24 pentru SERB800 si respectiv Fig.25 pentru SERB1500 :1C00000 -I

Fig.24:Comportarea dispozitivului SERB8001000000/50000 500000 250000 :509OO- -500000 500001000000 1250000Fig.25:Comportarea dispozitivului SERB1500.Cele doua curbe obtinute pe cale experimentala urmeaza sa fie folosite in simulari numerice pentru diferite tipuri de cadre dotate cu astfel de dispozitive in contravantuiri pentru a imbunatati comportarea acestora la actiuni seismice.

1250000Pentru dezvoltarea modelelor numerice urmeaza in continuare o serie de incercari experimentale ce urmareste comportarea celor doua dispozitive impreuna cu cu contravantuirile . Se urmareste obtinerea unei comportari finale a ansamblului contravantuire + amortizor care sa fie apoi implementate in calculul numeric . Acest pas al programului experimental este prezentat in capitolul urmator.

t8. Incercari experimentale pe ansamblul contravantuire-amortizorPentru a realiza standul experimental in varianta contravantuire-amortizor se va analiza jumatate din cadrul contravantuit centric .Conceptul de proiectare a incercarilor experimentale se bazeaza pe doua concepte disticte : amortizorul este elementul slab (BDE) - rezistenta atat la intindere cat si la compresiune a contravantuirii este mai mare decat capacitatea amortizoruluiNdis,Rd < Npl,Rd contravantuirea este elementul slab (BDY)- capacitatea amortizorului este mai mare decat capacitatea contravantuirii la intindere si/sau compresiuneNdis,Rd > 1.1 Yov . Npl,RdTabel 1: Incercari experimentale pe contravantuiri dotate cu sisteme de amortizareNr.ContravantuireSpecimenDispozitivSERBTipIncercariNrincercariParametri

1HEA240BDE-CDACiclic2 Deplasare totala Deplasarea relativa a comtravantuirii Deformatie amortizor Forta inregistrata Comportare globala - curba forta-deplasare

2TeavaD133,t=6mmB-MTB-MCNUMonoton2

3TeavaD133,t=6mmB-CNUCiclic2

4TeavaD133,t=6mmBDYDAMonoton2

5TeavaD133,t=6mmBDYDACiclic2

Pentru primul concept o contravantuire din cadrul parter al unui cadru contravantuit centric cu configuratia prezentata in fig16. a fost extrasa si va fi dotata cu amortizorul SERB800 a carui capacitate este mai mica decat rezistenta la flambaja contravantuirii. Scopul acestui concept de proiectare este de a valida comportarea histeretica a amortizorului rezultata din incercarile individuale si in varianta in care acesta este montat pe contravantuire. (Fig 26.)

Fig.26:Contravantuire-amortizor (BDE)Deoarece contravantuirea este proiectata sa ramana in eleastic protocolul de incarcare are ca referinta capacitatea maxima a dispozitivului de amortizare. Se vor efectua cate 3 cicluri la fiecare treapta de incarcare Fig.27.- 0.2Fmax

- 0..4Fmax

- 06Fmax

- 08Fmax

- 1.0Fmax

SerieslFig.27: Protocol de incarcareAl doilea concept de proiectare Ndis,Rd > 1.1 yov . NPl,Rd urmareste determinarea interactiunii dintre cele doua elemente ale ansamblului contravantuire- amortizor in varianta in care contravantuire intra in domeniu plastic inainte ca dispozitivul sa ajunga la capacitatea maxima. Se urmareste obtinerea unei curbe de comportare care sa incorporeze atat comportarea disipatorului cat si a contravantuirii.Fig.28.

Fig.28:Contravantuire-amortizor ( BDY )

Protocolul de incarcare se va realiza conform procedurii ECCS in control de deplasare, avand ca referinta deplasarea la curgere obtinuta din incercarile monotone ey . Protocolul de incarcare recomandat de ECCS este reprezentat in Fig. 28. Aceasta implica cate 1 ciclu la fiecare treapta de incarcare de 0.25 , 0.5, 0.75 si 1.0 ey urmate de cate 3 cicluri la fiecare treapta de 2, 4, 6, etc. ori ey .

Fig.28:Cicluri de deplasare- procedura ECCSPentru comparatie aceeasi contravantuire va fi testata , in aceeasi modalitate atat in regim monoton cat si in regim ciclic fara dispozitivul SERB atasat (Fig.29).

Fig.29:Contravantuire fara amortizor ( B )

Incercarile experimentale se vor realiza in laboratorul CMMC folosind actuatori de capacitate 1000kN configuratia standului fiind prezentata in Fig.19. Aceste incercari descrise anterior urmeaza sa se concretizeze in viitorul apropiat elementele standului experimental au fost date in executie. Rezultatele acestor incercari vor folosi la validarea comportarii dispozitivului de amortizare pe baza de frecare impreuna cu contravantuirea si vor urmari interactiunea dintre comportarea clasica a unei contravantuiri si cea a amortizorilor.Se va dezvolta pe baza incercarilor un model de calcul analitic si determinarea curbelor histeretice de comportare .

Pe baza parametrilor obtinuti si a comportarii modelului experimental se vor efectua analize pe baza de criterii de performanta pentru punerea la punct a unor prescriptii si a unor metode de proiectare a structurilor.