studiu buloane fundatie

8
79 CADRE METALICE CU PRINDERI SEMI-RIGIDE LA BAZA: COMPORTAMENT SI APLICABILITATE PRACTICA Mircea GEORGESCU Departamentul de Construcţii Metalice şi Mecanica Construcţiilor, Facultatea de Construcţii şi Arhitectură, Universitatea „Politehnica” Timişoara Rezumat Lucrarea analizeaza comportamentul unor detalii de prindere la baza a cadrelor portal din otel, in conformitate cu prevederile normei EUROCODE 3- Anexa J. Principalul scop al lucrarii este acela de a evalua influenta si avantajele comportamentului semi-rigid al bazei stalpului asupra performantelor globale ale cadrului. Se efectueaza in acest scop un studiu parametric cu scopul de a determina influenta pozitiei suruburilor de ancoraj asupra rigiditatii la rotire a bazei stalpului. Se determina rigiditatea maxima la rotire a bazei, valoare ce se compara cu limitele stabilite in cadrul EC3-Anexa J in vederea clasificarii adecvate a prinderii studiate. 1. Introducere Cladirile industriale moderne necesita preve-derea unor detalii constructive simple si fiabile, pentru asigurarea preciziei si vitezei de montaj. Investitorii impun in general durate de executie scurte de circa 12-18 zile (perioada totala de realizare a investitiei fiind in cazul unei cladiri parter de 12-15 saptamani, ceea ce cuprinde proiectarea, fabricarea, livrarea si montajul). Acest aspect induce in general o presiune remarcabila asupra proiectantilor si impune utilizarea unor solutii structurale si a unor detalii capabile sa satisfaca cerintele mentionate. Lucrarea de fata trateaza, in acest context, problema bazelor stalpilor metalici ai cladirilor industriale tip parter, zona de reala importanta in ansamblul structurii. La nivelul bazei stalpilor, comportamentul real al reazemului este determinat de mai multe elemente, dintre care: baza stalpului metalic, suruburile de ancoraj, blocul din beton al fundatiei izolate, respectiv terenul de fundare. Dintre aceste elemente, primele doua constituie in ultimul timp obiectul unor intense cercetari la nivel european (vezi Programul european de cercetare COST C1), avand ca scop stabilirea unor modele optime descriind comportamentul lor cat mai aproape de realitate. Printre inginerii proiectanti de structuri metalice este din ce in ce mai larg acceptata ideea mentionata in [5]: “valoarea manoperei pentru imbinari reprezinta 50% din totalul manoperei cerute de o constructie metalica”. Aici se includ si bazele stalpilor metalici, care prin alcatuirea lor influenteaza nu numai costurile de executie cat si comportamentul real al structurii. In cazul halelor usoare tip parter, se prefera utilizarea unor reazeme articulate la baza stalpilor, datorita avantajelor economice produse asupra structurii si fundatiilor, cat si datorita executiei lor mai usoare. In figura 1 sunt prezentate cateva detalii constructive tipice, utilizate de companiile ce actioneaza pe piata in Romania (BUTLER, ASTRON, LINDAB, REMCO, etc). In ambele cazuri prezentate in figura se vede ca s-a incercat satisfacerea cerintelor de tip static pentru realizarea unui reazem articulat la baza cadrului structurii principale de rezistenta, respectiv rotire libera si blocarea deplasarilor.

Upload: eugen-dincu

Post on 14-Aug-2015

159 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: studiu buloane fundatie

79

CADRE METALICE CU PRINDERI SEMI-RIGIDE LA BAZA: COMPORTAMENT SI APLICABILITATE PRACTICA

Mircea GEORGESCU Departamentul de Construcţii Metalice şi Mecanica Construcţiilor,

Facultatea de Construcţii şi Arhitectură, Universitatea „Politehnica” Timişoara

Rezumat Lucrarea analizeaza comportamentul unor detalii de prindere la baza a cadrelor portal din

otel, in conformitate cu prevederile normei EUROCODE 3- Anexa J. Principalul scop al lucrarii este acela de a evalua influenta si avantajele comportamentului semi-rigid al bazei stalpului asupra performantelor globale ale cadrului. Se efectueaza in acest scop un studiu parametric cu scopul de a determina influenta pozitiei suruburilor de ancoraj asupra rigiditatii la rotire a bazei stalpului. Se determina rigiditatea maxima la rotire a bazei, valoare ce se compara cu limitele stabilite in cadrul EC3-Anexa J in vederea clasificarii adecvate a prinderii studiate. 1. Introducere Cladirile industriale moderne necesita preve-derea unor detalii constructive simple si fiabile, pentru asigurarea preciziei si vitezei de montaj. Investitorii impun in general durate de executie scurte de circa 12-18 zile (perioada totala de realizare a investitiei fiind in cazul unei cladiri parter de 12-15 saptamani, ceea ce cuprinde proiectarea, fabricarea, livrarea si montajul). Acest aspect induce in general o presiune remarcabila asupra proiectantilor si impune utilizarea unor solutii structurale si a unor detalii capabile sa satisfaca cerintele mentionate. Lucrarea de fata trateaza, in acest context, problema bazelor stalpilor metalici ai cladirilor industriale tip parter, zona de reala importanta in ansamblul structurii. La nivelul bazei stalpilor, comportamentul real al reazemului este determinat de mai multe elemente, dintre care: baza stalpului metalic, suruburile de ancoraj, blocul din beton al fundatiei izolate, respectiv terenul de fundare. Dintre aceste elemente, primele doua constituie in ultimul timp obiectul unor intense cercetari la nivel european (vezi Programul european de cercetare COST C1), avand ca scop stabilirea unor modele optime descriind comportamentul lor cat mai aproape de realitate. Printre inginerii proiectanti de structuri metalice este din ce in ce mai larg acceptata ideea mentionata in [5]: “valoarea manoperei pentru imbinari reprezinta 50% din totalul manoperei cerute de o constructie metalica”. Aici se includ si bazele stalpilor metalici, care prin alcatuirea lor influenteaza nu numai costurile de executie cat si comportamentul real al structurii. In cazul halelor usoare tip parter, se prefera utilizarea unor reazeme articulate la baza stalpilor, datorita avantajelor economice produse asupra structurii si fundatiilor, cat si datorita executiei lor mai usoare. In figura 1 sunt prezentate cateva detalii constructive tipice, utilizate de companiile ce actioneaza pe piata in Romania (BUTLER, ASTRON, LINDAB, REMCO, etc). In ambele cazuri prezentate in figura se vede ca s-a incercat satisfacerea cerintelor de tip static pentru realizarea unui reazem articulat la baza cadrului structurii principale de rezistenta, respectiv rotire libera si blocarea deplasarilor.

Page 2: studiu buloane fundatie

Aici trebuie subliniat si faptul ca, intr-o structura reala ce lucreaza spatial, forta taietoare se distribuie mai ales la baza stalpilor cadrelor contravantuite (transversale sau longitudinale). Aceasta conduce la aparitia unor forte taietoare importante la baza stalpilor mentionati, cu valori mai ridicate decat pentru cadrele curente.

1 1

1-1Shearcut-off

Figura 1a) – Cupon de forfecare

2 2

2-2Profil

inglob

2 M 12grade4.6

Figura 1b) Profil inglobat

Figura 1 – Detalii de rezemare utilizate in practica

In figura 2 este prezentat un detaliu de baza de stalp deseori aplicat in practica de autorul lucrarii, detaliu care permite o anumita rotire a reazemului. Acest detaliu va fi analizat in vederea stabilirii comportamentului sau real, ca parte a structurii principale de rezistenta.

300

105 90 105

400

155

155

200

200

150 150

90

1 - 1 2 - 2

90200

90 200

2056

511

0

Anchor bolts

675

2 2

Embedded element1 1

Figura 2 – Detaliul de rezemare utilizat de autor

Piesa metalica inglobata in fundatie, utilizata in cazul acestui detaliu este realizata din patru suruburi de ancoraj. Aceasta piesa este prezentata in figura 3 atat in vedere laterala cat si prin doua sectiuni transversale. Motivele utilizarii unor asemenea piese inglobate cu buloane cuplate in locul clasicelor buloane simple montate cu sablon sunt: • Natura solicitarilor: Romania este o tara seismica, unde data fiind natura incarcarilor pot aparea

smulgeri mari la baza unor stalpi ai cladirilor industriale tip parter; • Capacitatea structurii de a prezenta o anumita rigiditate la rotire in imbinarea de la baza

stalpului, cu o influenta semnificativa asupra rigiditatii de ansamblu (trebuie mentionat aici ca o asemenea imbinare, desi usor mai scumpa decat varianta uzuala prevazuta in cazul imbinarilor articulate conduce totusi la un pret de cost rezonabil pe ansamblul constructiei);

80

• Pretul optim al constructiei (mai ales in conditiile unei tari cu regim seismic cum este Romania) rezulta in urma atingerii unui echilibru intre costurile structurii principale de rezistenta din otel si costurile fundatiilor.

Page 3: studiu buloane fundatie

L = 18,00 m

Hc

p%

Det. I

Det. I

Anchoring bolts

Column base

±0,00

Figura 3 – Schema cadrului metalic analizat

Detaliul pentru baza stalpului supus discutiei in aceasta lucrare este prezentat in figura 3-Detaliul A, inclusiv piesa inglobata. Stalpul este realizat dintr-o sectiune I compusa din table sudate asamblate prin sudura, cum se vede in figura. Sistemul de mai sus asigura o fabricatie simpla si usor de automatizat a elementelor structurale, marind astfel productivitatea, asa cum se solicita pe piata. Exista o intrebare care se pune in mod natural la examinarea figurilor 3 si 4 si anume “de ce s-au prevazut 4 suruburi si nu 2?” Aceasta intrebare ar putea fi legata de problematica generala a reazemului “nominal articulat” realizat in mod uzual prin prevederea doar a doua suruburi de ancoraj dispuse dupa axa maxima de inertie a bazei stalpului Pentru a raspunde acestei intrebari trebuie observat comportamentul caracteristic al detaliului de rezemare analizat, cu preluarea integrala a fortei taietoare de la baza stalpului de catre suruburile de ancoraj. Ori, in practica proiectarii din tarile seismice cum este si Romania, se lucreaza de obicei cu solicitari orizontale importante in cazul cladirilor industriale, cu atat mai mari cu cat creste inaltimea acestora. Aceasta genereaza forte taietoare importante aplicate la baza stalpilor, mai ales in zonele structurii unde se prevad contravantuiri in pereti. Este foarte posibil din acest motiv ca in asemenea cazuri sa nu fie suficiente doua suruburi (avand de regula diametrul M24- M30) si sa fie necesare mai multe suruburi in imbinare. Mai mult, amplasarea a doua suruburi dupa axa maxima de inertie a bazei nu permite dispunerea centrica in aceasta zona a guseului necesar prinderii contravantuirii in X din peretele cladirii. Contravantuirile prinse excentric la baza stalpilor conduc la aparitia unor momente locale sau de torsiune suplimentare, ceea ce este de evitat. De aceea, s-a preferat un grup de 4 suruburi dispuse de o parte si de alta a axei verticale a stalpului, ceea ce permite marirea rezistentei la forfecare a prinderii si satisface cerinta de mai sus. In acest context trebuie mentionat de asemenea ca programele moderne de calculator destinate analizei structurale permit foarte simplu o analiza mai sofisticata decat cea a clasicului “reazem articulat”, adecvata cazului analizat. Daca acest tip de reazem se introduce in analiza globala ca reazem semi-rigid, se obtin o serie de avantaje legate de distributia mai uniforma a diagramei de moment incovoietor pe conturul cadrului transversal al structurii principale de rezistenta. Acesta este subiectul si linia directoare a prezentei lucrari. Din motive legate de practica procesului de proiectare cat si de executie, respectiv a acuratetei teoretice a analizei structurale, autorul analizeaza o serie de aspecte incercand sa raspunda la intrebarea: “Care este valoarea rigiditatii initiale la rotire a imbinarii de la bza stalpului pentru acest tip de reazem ?”, “Poate fi acest tip de reazem considerat un reazem articulat?”, “Daca imbinarea de la baza stalpului este semi-rigida, ce influenta exercita ea asupra comportamentului de ansamblu al cadrului?”, “Merita 81

Page 4: studiu buloane fundatie

aceasta influenta sa fie luata in considerare comparativ cu situatia unei imbinari articulate care nu exercita moment incovoietor asupra fundatiilor?” In cele ce urmeaza se prezinta o incercare de a raspunde la aceste intrebari. 2. Influenta alcatuirii constructive a bazei stalpului asupra rigiditatii la rotire Ca prim pas, se efectueaza un studiu parametric asupra valorilor rigiditatii initiale la rotire a imbinarii bazei stalpului, folosind metoda componentelor prezentata in cadrul EUROCODE 3 Anexa J. Ideea directoare a studiului a fost de a evalua rolul jucat de fiecare componenta a bazei in asigurarea rigiditatii initiale la rotire a reazemului. Componentele prinderii de la baza stalpului luate in considerare in cadrul studiului parametric au fost urmatoarele.

Grosimea placii de baza a stalpului t=20 mm Diametrul si grupa suruburilor de ancoraj: in acest caz M42 grupa 6.6; Pozitia suruburilor de ancoraj in raport cu axa maxima de inertie a sectiunii de la baza

stalpului, prezentata in figura 4

Figura 4 – Studiul pozitiei relative a suruburilor de ancoraj

Elementele mentionate au fost aplicate pe mai multe configuratii structurale de cadru transversal, cu o deschidere constanta de 18,0 m, inaltimi la streasina egale cu 4m, 6m, 8m si 10 m iar pantele acoperisului egale cu 5%, 15%, 25% (ultima valoare a pantei fiind o limita superioara pentru pantele utilizate la ora actuala la cladiri industriale). Pentru fiecare dintre configuratiile amintite s-a determinat valoarea rigiditatii initiale la rotire a bazei stalpului (Sj,ini) cu ajutorul unui modul special al programului SOPHISTIC, construit in conformitate cu prevederile EC.3 Anexa J (metoda componentelor). Valorile rezultante pentru irgiditatea initiala la rotire a bazei variaza intre 28895 kNm / rad si 62288 kNm / rad,functie de pozitia in plan a suruburilor de ancoraj, inaltime la streasina si panta acoperis. Pentru evaluarea sugestiva a influentei fiecarei componente asupra rigiditatii la rotire s-a definit variatia relativa a rigiditatii initiale, drept raport intre rigiditatea initiala si rigiditatea curenta obtinuta prin calcul pe cazul constructiv respectiv:

( n,...,1iforSS

S 1ini.j

iini.j

ini.j ==∆ ) (1)

Din diagramele variatiei relative a rigiditatii prezentate in figura 5 functie de pozitia suruburilor, inaltime la streasina si panta rezulta rolul dominant al pozitiei suruburilor.

82

Page 5: studiu buloane fundatie

Change of initial rotational stiffnes with bolt position

1.001.101.201.301.401.501.601.70

1 2 3 4 5 6

Bolt positionD

elta

Sj.i

ni

a) Variatia rigiditatii initiale la rotire cu pozitia suruburilor de ancoraj

Relative change of initial rotational stiffness with eaves height

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

4 6 8

Eaves height [m]

Del

ta S

j.ini

10

b) Variatia rigiditatii initiale la rotire cu inaltimea la coltul cadrului

Figura 5 – Variatia rigiditatii initiale la rotire a bazei stalpului Valorile rigiditatii initiale la rotire au mai fost folosite si pentru calculul deformatiilor verticale si orizontale ale cadrelor studiate. Cateva rezultate mai sugestive sunt prezentate in figurile 6 si 7.

Percent decrease of ridge vertical deflection "f" (compared to nominal hinged support situation ) depending on bolt position

-17.0-15.0-13.0-11.0

-9.0-7.0-5.0

1 2 3 4 5 6

Bolt position

Perc

ent d

ecre

ase

of "

f"

[%] H=4m

H=6mH=8m

Figura 6 – Variatia procentuala a sagetii

Percent decrease of frame sway (compared to the nominally

hinged situation) depending on bolt position

-71.0-69.0-67.0-65.0-63.0-61.0-59.0-57.0-55.0

1 2 3 4 5 6

Bolt position

Dec

reas

e of

sw

ay [%

]

H=4mH=64H=8mH=10m

83Figura 7 – Descresterea deplasarii orizontale la coltul cadrului

Page 6: studiu buloane fundatie

S-a facut o comparatie intre cadrele nominal articulate si cadrele similare cu prindere semi-rigida la baza, exprimata cu ajutorul rigiditatii la rotire calculate. In cazul detaliului de rezemare studiat, s-a pus in evidenta o scadere cu 9-15% a sagetii maxime (functie de pozitia in plan a suruburilor de ancoraj) pentru o panta tipica de 15% a acoperisului. Valorile rigiditatii initiale la rotire au mai fost folosite si pentru calculul deformatiilor verticale si orizontale ale cadrelor studiate. Cateva rezultate mai sugestive sunt prezentate in figurile 6 si 7. S-a facut o comparatie intre cadrele nominal articulate si cadrele similare cu prindere semi-rigida la baza, exprimata cu ajutorul rigiditatii la rotire calculate. In cazul detaliului de rezemare studiat, s-a pus in evidenta o scadere cu 9-15% a sagetii maxime (functie de pozitia in plan a suruburilor de ancoraj) pentru o panta tipica de 15% a acoperisului. 3. Incadrarea prinderii de la baza stalpului functie de rigiditatea la rotire. Influenta

geometriei cadrului. Imbinarile de la baza stalpilor se pot clasifica in functie de rezistenta lor, de capacitatea lor de rotire sau de valoarea rigiditatii la rotire. Pentru a stabili daca tipul de prindere la baza stalpului studiat in cazul de fata este de tip semi-rigid sau doar nominal articulat, s-a utilizat clasificarea imbinarilor practicata de EUROCODE 3 Anexa J. Prin similitudine cu imbinarile rigla-stalp, conform diagramei din figura 8, prinderile semi-rigide trebuie sa aiba o rigiditate initiala la rotire:

c

cinij h

IES ⋅⋅> 5.0. (2)

unde: - Sj,ini = rigiditatea initiala a prinderii de la baza stalpului; - E = modulul lui Young pentru otel - Ic = momentul maxim de inertie al sectiunii transversale a stalpului - hc = inaltimea stalpului (inaltimea la coltul cadrului) Cu alte cuvinte, relatia (1) furnizeaza limita superioara pana la care prinderea de la baza stalpului mai poate fi considerata nominal articulata (dupa criteriul rigiditatii initiale la rotire). Din examinarea relatiei (1) este evident ca valoarea limita definita pentru rigiditatea la rotire depinde atat de geometria sectiunii transversale cat si de inaltimea stalpului.

Figura 8 –Clasificarea bazelor de stalpi in functie de rigiditatea lor la rotire

84

Page 7: studiu buloane fundatie

Astfel apare ideea efectuarii unui studiu pe tipul de cadre descris in figura 2, avand ca scop determinarea rigiditatii limita la rotire pentru diverse inaltimi la streasina (inaltimi de stalp) In cadrul studiului mentionat s-au analizat si s-au dimensionat un numat de 12 cadre transversale din otel. Deschiderea si traveea au fost mentinute constante (L=18,0 m si T=6,0 m) insa s-au modificat inaltimile la streasina intre hc=4 m si hc=10 m cu un increment de 2m. S-au aplicat incarcari uzuale pentru o hala amplasata in Romania (zona C de zapada, zona B pentru vant, zona C pentru seism cu ks=0.2 si ψ=1.0). Ulterior calcularii stalpilor s-au stabilit pentru fiecare cadru valorile rigiditatii limita pentru comportarea semi-rigida a bazei stalpilor. In toate cazurile s-a constatat satisfacerea conditiei Sjini>0.5EI/hc pentru rigiditatea initiala la rotire ceea ce plaseaza prinderile de la baza stalpilor in domeniul comportamentului semi-rigid.

Percent decrease of column buckling length (compared to the nominally pinned connection) with the change of column base rotational stiffness (L=18.0 m, H=6,0 m)

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.01 2 3 4 5 6

Anchor bolt position

Perc

ent d

ecre

ase

[%]

Roof slope 5%Roof slope 15%Roof slope 25%

Figura 9 – Descresterea procentuala a lungimii de flambaj a stalpului in comparatie cu situatia

prinderii articulate S-a mai efectuat si o analiza de stabilitate elastica pe cadrele propuse, pentru a determina influenta reazemului semi-rigid asupra incarcarii critice elastice (Pcr) si in cele din urma asupra lungimii de flambaj a stalpului curent. In figura 9 se prezinta un exemplu relevant privind rezultatele obtinute. Asa cum era de asteptat, lungimea de flambaj a stalpului descreste cu marirea rigiditatii initiale la rotire (exprimata prin pozitia 1- 6 a suruburilor de ancoraj) Efectul este realmente important deoarece normativul romanesc pentr calcul seismic [7] impune o limitare severa a zveltetei stalpilor in cazul structurilor disipative, respectiv:

cee R

Ewhere7.0 ⋅π=λλ⋅≤λ (3)

unde E = modulul lui young iar Rc= limita de curgere a otelului 4. Concluzii Lucrarea analizeaza un detaliu constructiv de baza de stalp frecvent folosit de catre autor in procesul proiectarii practice, in vederea stabilirii rolului sau real in structura. Printr-o analiza parametrica bazata pe metoda componentelor introdusa in EUROCODE -3 Anexa J si aplicata cu ajutorul programului SOPHISTIC, s-au stabilit valorile rigiditatii initiale la rotire ale imbinarii de baza, variind intre 28895 si 62288 kNm/rad, functie de pozitia suruburilor, inaltimea la streasina si panta riglei.

85

De asemenea, s-a efectuat un studiu pe un grup de 12 cadre metalice cu deschidere constanta L=18,0 m si travee T=6,0 m. unde singurul element geometric modificat a fost inaltimea la

Page 8: studiu buloane fundatie

86

streasina (hc), si panta acoperisului. Studiul avea ca scop stabilirae valorii limita a rigiditatii initiale la rotire a bazei stalpului pentru care acesta ar mai putea fi considerat nominal articulat din punct de vedere a clasificarii EC.3. S-a efectuat si o analiza de stabilitate elastica pe cadre cu programul AXIS. Concluziile analizei efectuate arata ca tipul constructiv de baza de stalp propus este semi-rigid in raport cu clasificarea EC.3 Anexa J efectuata in functie de rigiditatea la rotire a imbinarilor. Aceasta permite introducerea in analiza structurala practica a tipului de reazem analizat ca reazem semi-rigid, cu consecinte benefice din punct de vedere al sagetii la coama, al deplasarii laterale maxime si a lungimii de flambaj a stalpului. Bibliografie 1. *** EUROCODE 3 (1992)– Design of steel structures. Part 1-1: General rules and rules for

buildings. European prestandard. 2. *** Revised Annex J of EUROCODE 3(1997) Joints in Building Frames , Edited approved

draft. CEN Document CEN / TC 250 / SC.3 – N 671 E, January 1997. 3. *** COST C1 (1999)– Recent advances in the field of structural steel joints and their

representation in the building frame analysis and design process. European Commission Edited by Jean-Pierre Jaspart Brussels-Luxembourg.

4. *** COST C1 (1999)– Column Bases in Steel Building Frames European Commission Edited by Klaus Weinand, Brussels Luxembourg.

5. Fewster S.M.C., Girardier E.V., Owens G.W. ( 1992) Economic design and the importance of standardized connections Constructional Steel Deign: World Developments. Eds. Dowling P.J., Bjorhovde R., Martinez Romero E., Elsevier Appl. Sci. London, pp. 541-550.

6. ***CESTRUCO Continuing Education in Structural Connection –Draft for internal review – Ljubliana Meeting 11-13.04.2002.

7. ***Romanian Seismic Design Code, P100-92.