studii numerice si experimentale asupra unor structuri multietajate

Sesiunea Națională de Comunicări Științifice StudențestiCluj-Napoca 24 Mai 2013

1

STUDII NUMERICE ȘI EXPERIMENTALE ASUPRA UNOR STRUCTURI MULTIETAJATE

Marius MOLDOVAN1, Adela CIOCAN 2 , Cristian MICULAS3, Alexandra AGAPI 4, FlorinMATIS5, Ionut MOISI6, Adriana MOIS7, Andreea NAN8, Razvan TURCANU9, Imre VEKOV10,

Sebastian IVANOV11

Indrumatori: Îndrumători: prof. dr. ing. Pavel ALEXA12, conf. dr. ing. Nicolae CHIRA13,asist. dr. ing. Ovidiu PRODAN14

1 Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca,[email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] Facultatea de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] de Construcții, Universitatea Tehnică, Cluj Napoca, [email protected] de Constructii, Universitatea Tehnica Cluj Napoca, Departamentul de mecanica13Facultatea de Constructii, Universitatea Tehnica Cluj Napoca, Departamentul de mecanica14Facultatea de Constructii, Universitatea Tehnica Cluj Napoca, Departamentul de mecanica

ABSTRACT

International annual Seismic Design Competition (SDC) held in USA requires the design of a 3Dmulti-story (from 15 to 28 story) structure that is subjected to several recorded (and scaled down) andartificially generated earthquakes. No failure is a fundamental criteria for winning the competition. Currentstudy is an extract of the theoretical and experimental job carried out by the TUCN team that qualified forthe final phase (Seattle, February 2013) of the competition. The “product” successfully subjected to the juryof SDC 2013 is a 28 story 3D structure of an office building. Several architectural, environmental, financial(investment/maintenance) aspects have been implemented on fundamental structural principles that havebeen subordinated to fundamental principles of seismic design.

Resulting structure enjoys a two axis in plane symmetry and consists of four 3D substructures offrame type located in the four corners. Each corner substructure is made up of 3D one bay frame allowing alarge freedom of inside arrangement at every level.

The structure has been theoretically studied in what regards its seismic responses to several scaleddown earthquakes: Northridge 1990, El Centro 1940, artificially generated earthquake (ag=1.57g).

Computed parameters refer to natural period of vibrations T1 , seismically induced response (lateraldisplacement and accelerations, base shear).

The dynamic model is the classical lumped mass vertical cantilever.The experimental studies focused on two objectives:

- depicting the first natural modes of vibration and their associated parameters;- recording the seismic responses in lateral displacement and acceleration.

The first objective has been achieved by shock inducing vibrations and decomposing them intonatural modes via Bruel and Kjaer device.

The second objective has been the job of laboratory shaking table equipped with digital transducersand recorders.

A highly acceptable accuracy could be noted of experimental and theoretical results. Obtainedresults constituted the bases of a beforehand compulsory assessments of seismic response at the final stageof the SDC.

Marius MOLDOVAN1, Adela CIOCAN 2 , Cristian MICULAS3, Alexandra AGAPI 4, Florin MATIS5, Ionut MOISI6,Adriana MOIS7, Andreea NAN8, Razvan TURCANU9, Imre VEKOV10, Sebastian IVANOV11

2

1.INTRODUCERE

Seismic Design Competition (SDC) este o competiție internațională de proiectare seismică găzduităde Earthquake Engineering Research Institute (EERI) din SUA. Concursul constă în proiectarea și realizareaunei machete din lemn de balsa la scara 1:72 a unei clădiri de birouri (Fig. 1) ce poate avea între 15 și 28 deniveluri și care va fi supusa unor încercări pe o masă vibrantă [I].

Echipa formată din 11 studenți s-a calificat la faza finală a acestei competiții internaționale care anulacesta s-a desfășurat în Seattle, WA, SUA în luna februarie și a obținut locul 3 dintr-un număr de 37 deechipe participante din întreaga lume.

Fig. 1. Arhitectura – diferite concepte

Pentru o reproducere cât mai fidelă a situațiilor reale, încărcările permanente care acționeaza ostructură s-au reprezentat cu ajutorul unor bare din oțel filetat (Fig. 3) montate pe machetă la o distanță deH/10 între ele și poziționate perpendicular față de direcția de acțiune a seismului (Fig.2). Aceste încărcăriadiționale au o greutate de 1,18 kg (Fig. 3) pentru planșeele intermediare și 1,59 kg pentru acoperiș.

Fig. 2. Modul de încărcare a machetelor și direcția de solicitare Fig. 3. Greutățile dispuse pe structură


3

Macheta propusă și astfel încărcată trebuie să reziste la 3 încercări pe masa vibrantă, reprezentând 3cutremure scalate și modificate: GM1 (Northridge 1990) și GM2 (El Centro 1940) – primele două cutremureși cel de-al treilea, GM3 – un cutremur mai puternic decât primele (cu ag=1,57g), generat artificial[II].

Cel mai important criteriu de respectat era ca macheta să nu cedeze în timpul încercărilor. Dupătestarea machetei s-a făcut o evaluare a stării tehnice a acesteia pentru a determina costurile necesarereparațiilor (în funcție de valorile deplasărilor laterale înregistrate Fig.4). Ținând cont de aceste costuriprecum și de costurile de investiție (ce se presupun a fi amortiazate în 100 de ani) și de veniturile dinînchirierea spațiilor s-a determinat un profit anual, rezultatul acestei analize de tip cost-eficiență fiind un altcriteriu de punctare. S-a punctat de asemenea și partea arhitecturală (Fig.1) care a fost detaliată printr-unposter de prezentare. Un alt criteriu important de punctare a fost precizia predicțiilor noastre pentruaccelerațiile și deplasările laterale ce vor fi înregistrate în timpul concursului.

Fig. 4. Parametrii de punctare: accelerația maximă la vârf și drift

În vederea realizării machetei trebuiau respectate condiții le impuse de organizatorii concursului:- înălțimea etajelor sa fie de 5 cm, respectiv 10 cm pentru parter și etajul al 10-lea;- amprenta clădirii să fie de 38cmx38 cm;- suprafața închiriabilă să nu depășească 29.677 cm2

- masa cladirii împreună cu amortizorii și plăcuța de încastrare să nu depașească 2,2 kg.Având în vedere aceste restricții, cerințele arhitecturale, dar și recomandările necesare pentru

asigurarea comportării favorabile în timpul încercării seismice a rezultat o structură finală simetrică pe douădirecții, cu 4 substructuri în cadre situate în col țuri, prinse de un cor central și prevazută cu fir de pescuitavând rolul de elemente disipative.

2. ANALIZA

Analiza structurală s-a realizat cu ajutorul programului SAP 2000. Modelul proiectat de noi aveaînălțimea maximă de 28 de niveluri pentru care am utilizat dimensiunile maxime prevăzute de regulamentpentru elementele structurale (stâlpi și grinzi).

Tab.1 Comparație proprietăți mecanice pentru balsa


4

Materialele utilizate la machete și modelate în programul de calcul au fost lemnul de balsa și firul depescuit. Pentru lemnul de balsa s-au utilizat datele obținute din testările efectute în anii anteriori (Tab. 1)[III].S-a utilizat modulul de elasticitate care s-a determinat atât din încercarea la încovoiere, cât și din încercareala flambaj, el fiind dedus din măsurarea forțelor aferente unei sageț i impuse de L/50.

Lemnul de balsa a fost achiziționat sub formă de plăci (Fig. 6), densitatea acestora variind întrevalorile de 90 și 300 kg/mc, dar la construirea machetelor s-au folosit plăci de densități apropiate , iar înprogramul de calcul s-a utilizat o densitate medie de 150 kg/mc. Suplimentar, s-au făcut teste și pentru firulde pescuit pentru a-i determina modul de elasticitate. De asemenea, pentru a putea folosi firul de pescuit ca șielement disipator, organizatorii au cerut să se demonstreze că acesta are palier de curgere și că cedează laeforturile care apar în timpul încercării la GM3.

Fig. 5. Modelare SAP2000

Modelararea structurii în SAP2000 (Fig. 5) s-a dovedit a fi una anevoioasă, deoarece programulconsideră materialul omogen și izotrop, ipoteza care nu este respectată în realitate mai ales când se lucreazăcu materiale lemnoase.

Pentru primul model analizat în programul de calcul nu s-au obținut rezultatele dorite astfel că s-aîntreprins o optimizare a acestuia în vederea încadrării în limitele impuse de organizatori pentru deplasări șiacceleraț ii prin eliminarea sau introducerea de elemente sau modificarea dimensiunilor lor, urmărindu-setotodată și obținerea unei greutăți ideale.

Pentru calculul structural s-a folosit o analiză de tipul time history, s-au introdus accelerogrameleimpuse de organizatorii competiției pentru cele trei cutremure la care urma sa fie supusă structura, iar dupăfinalizarea modelului s-au extras din program diferiți parametrii, cum ar fi perioada proprie de vibrație,accelerația absolută la vârf (Fig.8,9,10) , deplasări absolute la vârf (Fig. 11,12,13) și modul fundamental devibrație.


5

Perioada proprie de vibraț ie a variat la fiecare model construit având o valoare între 0.06s și 0.11s.Din cauza că structura gândită a rezultat atât de rigidă, a apărut pericolul cedarii stâlpilor în secțiunile deîncastrare. Pentru a preîntâmpina acest efect, au fost dispuse contravantuiri suplimentare în treimea inferioarăcare să distribuie forța tăietoare pe o înǎlțime mare. Pentru modelarea finală s-a obținut o perioadă propiede 0.068s.

3.CONSTRUCȚIA

În total s-au realizat 4 machete, 3 dintre ele au fost supuse încercărilor pe masa vibranta, iar cea de-a4-a, identică cu penultima, a fost folosită la competiție.

Plăcile achiziționate (Fig. 6) aveau dimensiunile de 1000x100x6 mm, respectiv 1000x100x3 mm șis-au tăiat în fâșii, în lungul fibrelor, cu ajutorul unui fierăstrău circular. Cu ajutorul acestui dispozitiv s-auputut tăia elementele la un anumit unghi, operațiune necesară pentru îmbinările dintre mai multe elementeîntr-un nod. Pentru a îmbina elementele s-a utilizat lipici fluid și superfluid, special pentru acest tip de lemn,iar dacă era necesară o uscare rapidă se utiliza un spray activator.

Fig. 6 Placi lemn de balsaMachetele erau formate din 4 subansamble situate în colțurile structurii și prinse de un cor central

(Fig.7). Pentru a reduce timpul de execuție și pentru a putea lucra simultan doua echipe s-au realizat douășabloane: unul pentru fețele subansamblelor exterioare și unul pentru fețele corului central. După ce s-auasamblat toate elementele componente s-a întins și firul de pescuit pe toate fețele machetei, fiind prins deniște scobitori lipite anterior.

Fig. 7 Asamblarea structurii


6

4.TESTAREA

Pentru testarea machetelor s-a folosit o masa vibrantă educațională care este capabilă să pună înmișcare o masă de 15Kg la o accelerație maximă de 1.5g, pentru înregistrarea accelerațiilor am folositaccelerometrul care se află în dotarea masei vibrante[IV] iar pentru înregistrarea deplasărilor s-a folosit untraductor de deplasări care s-a montat la partea superioară a structurii.

La montarea greutăților s-a avut grijă ca acestea să se găsească pe aceeași axă și să fie uniformdistribuite pe ambele părți ale structurii ca să nu apară torsiune accidentală care să influențezesemnificativ rezultatele.

Pentru testare s-au folosit aceleași accelerograme scalate ca și în programul de calcul structural,singura diferență a fost că s-au făcut mai multe încercări în care s-a modificat deplasarea maximă în bazăpentru accelerograma generată artificial GM3.

După testarea primelor două machete s-a constatat că structura cedează în treimea inferioară datorităforței tăietoare de bază foarte mari, astfel la ultimele două machete s-a încercat dublarea anumitor stâlpiși îndesirea contravântuirilor în această porțiune .

Datorită modului de prindere a traductorilor de deplasări de structură (cu ajutorul unor magneți) sepot observa anumite derapaje în deplasările absolute înregistrate în vârful structurii (Fig. 11,12,13).

Fig. 8 Accelerații GM1


7

Fig. 9 Accelerații GM2

Fig.10 Accelerații GM3


8

Fig. 11 Deplasări GM1



9


Foto.1 Structura și echiparea Foto.2 Masa vibrantă, traductori, stâlpi avariați

Foto.3 Cedarea stâlpilor la forța tăietoare de bază


10

5. CONCLUZII

Obiectivul principal al lucrării – acela de a concepe și executa o structură la scară care săsatisfacă multitudinea de condiții tehnice și economice impuse de organizatorii competiției – a fostîndeplinită prin structura prezentată. Arhitectura structurală se înscrie în conceptul ecologic impusde organizatori atât prin forma sa sculpturală care permite o iluminare și ventilare naturală de-alungul întregii perioade însorite a zilei cât și prin utilizarea maximală a ariilor tuturor nivelelor.

Parametrii care definesc răspunsul seismic calculat teoretic și măsurat prin traductori, și carea stat la baza predicțiilor cerute de organizatori, au valori apropriate de cele înregistrate în timpulconcursului. Faptul că structura concepută a ,,adunat” puncte din toate domeniile de punctaj(rezistență, predicție, arhitectură) dovedește îndeplinirea - într-o măsură acceptabilă - a obiectivelorstabilite de echipa UTCN la ediția 2013 a SDC.

6. BIBLIOGRAFIE

[I] https://www.eeri.org[II] 1997 Uniform Building Code to 2006 - International Code Council[III] Máté PÉNTEK and all: MACHETĂ DIN LEMN BALSA SUPUSĂ LA MIŞCĂRI SEISMICE,Sesiunea Națională de Comunicări Științifice StudențeștiCluj-Napoca 9-11 Mai 2012[IV] http://www.quanser.com/english/html/home/fs_homepage.html

studii numerice si experimentale asupra unor structuri multietajate

Documents