1

1. ANALIZA INCARCARILOR SEISMICE SI COMPORTAREA

CONSTRUCTIILOR

Dimensionarea corecta a unei constructii la grupari de incarcari care contin si incarcari

dinamice ridica probleme legate de efectul actiunilor dinamice fata de efectul actiunilor statice.

Daca la o actiune statica efectul in elementele structurale este independent de tipul actiunii, la

actiuni dinamice efectul in elementele structurale este mai mare sau mai mic daca miscarea

proprie a constructiei este in faza sau nu cu actiunea dinamica. In acest caz sunt cresteri sau

descresteri ale energiei totale a sistemului oscilant (constructie) care are ca efect cresterea

incarcarilor, exprimata in forte si deformatii, de cateva ori fata de actiunea dinamica considerata

ca o sarcina statica echivalenta.

Functie de modul de comportare, liniar sau neliniar, al structurii la incarcari dinamice pot

sa apara doua sau trei fenomene din punct de vedere al bilantului energetic care in final duce la

raspunsuri dinamice foarte diferite ale structurii. Pentru analiza consideram ca actiune dinamica

un cutremur.

Daca structura afectata de cutremure are o comportare liniara atunci se produc doua

fenomene din punct de vedere al transferului de energie si al bilantului energetic in timpul unui

cutremur.

Fenomenul 1 - transfer de energie seismica de la terenul de fundare la structura prin lucrul

mecanic al fortelor de interactiune. Acest transfer duce la cresterea sau descresterea energiei

cinetice a structurii functie de raportul dintre perioada componentelor periodice ale excitatiei si

perioadele modurilor proprii de vibratie ale structurii. La structurile spatiale clasice, de regula,

acest transfer duce la cresterea energiei cinetice a constructiei conducand la marirea deformatiilor

si in consecinta a solicitarilor elementelor structurale.

Fenomenul 2 - consum de energie prin transformarea ei in caldura datorita fenomenelor de

frecare.

Daca structura afectata de cutremure are o comportare neliniara dependenta de nivelul de

solicitare atunci, de regula, se produce trei fenomene din punct de vedere al transferului de

energie si al bilantului energetic in timpul unui cutremur.

In acest caz structurii (sistemului oscilant) aflata in stare de repaus i se transfera initial o

cantitate de energie prin punerea in miscare oscilatorie a ei datorita actiunii seismice asupra

fundatiei. In continuare functie de raportul dintre perioadele de vibrare ale constructiei si perioada

dominanta a miscarii seismice, energia constructiei poate fi marita (fenomenul 1) sau micsorata

(fenomenul 3) prin lucrul mecanic al fortelor de interactiune care pot fi in faza sau antifaza cu

miscarea seismica.

In cazul structurilor spatiale clasice, de regula, lucrul mecanic al fortelor de interactiune pe

toata durata cutremurului duce la marirea energiei cinetice totale a constructiei si in final la

suprasolicitarea structurii datorita faptului ca pierderea de energie prin amortizare are pondere

mica (fenomenul 2).

Daca structurile spatiale s-ar putea realiza ca in domeniul elastic de comportare sa aibe

perioade de vibrare mult mai mari decat perioadele dominante ale miscarii seismice atunci energia

transmisa structurii prin socul initial (scoaterea din starea de repaus) ar fi micsorata de lucrul

mecanic al fortelor de interactiune pe durata cutremurului (fenomenul 3). Aceasta reducere

cumulata cu pierderea de energie prin amortizare (fenomenul 2) ar duce la o energie cinetica

finala foarte mica care poate fi preluata cu eforturi si deformatii foarte mici a elementelor

structurale ceea ce ar asigura o stabilitate buna a constructiei.

Datorita nelinearitatii unor elemente structurale ale constructiei (neliniaritati de material cu

degradare la suprasolicitare sau neliniaritati geometrice, de regula, cu consolidare la

suprasolicitare) perioadele de oscilatie ale acesteia se modifica pe durata actiunii dinamice functie

de nivelul de solicitare iar in acest caz lucrul mecanic efectuat de fortele de interactiune duce la

cresterea sau micsorarea energiei seismice a constructiei functie de apropierea sau departarea de

regimul de rezonanta. Cazul cel mai des intalnit este acela cand lucrul mecanic al fortelor de

2

interactiune duce la micsorarea energiei cinetice a constructiei. Acest fenomen se produce la

degradarea constructiilor clasice afectate de cutremure rapide (de suprafata) care de regula au

componente periodice cu perioade intre 0.14-0.33 s, cand perioadele de vibratie ale constructiilor

degradate cresc de cca 2 ori ca de exemplu de la 0.2-0.4 sec la 0.4-0.8 sec.

Incarcarile seismice orizontale care actioneaza asupra unei constructii prevazute in actele

normative se determina pe un formalism matematic corespunzator unui model cu un grad de

libertate cu ajutorul unei formule de calcul similare cu cea din Normativul romanesc P100 [3]:

GkSrrsr

εβα Ψ=

unde:

- coeficientul de amplificare βr se determina in functie de perioadele oscilatiilor proprii ale

constructiei si de caracteristicile locale date prin perioadele de colt Tc (vezi fig. 2.1);

- valoarea coeficientului de degradare Ψ este stabilita in tabele in functie de tipul structurii fiind

cuprinsa de exemplu intre 0.15 – 0.3 pentru structurile din beton armat, si intre 0.17 – 0.65

pentru structuri metalice. Coeficientul Ψ este puternic dependent de forma curbei βr si de

gradul de flexibilizare al constructiei prin degradare si putin de cresterea amortizarii datorita

degradarii ;

- valoarea coeficientului ce caracterizeaza comportarea dinamica a constructiei εr se determina

in functie de distributia pe verticala a maselor constructiei si de vectorii proprii ai constructiei

(exprima echivalarea dintre o structura spatiala complexa si un model simplu cu un grad de

libertate) ;

- coeficientul de importanta al constructiei α, este cuprins intre 0.8 - 1.4 ;

- coeficientul care caracterizeaza zona seismica ks, in care se afla amplasamentul constructiei

este cuprins intre 0.12 - 0.32 pentru zonele afectate de cutremurele intermediare vrancene

(pentru teritoriul Romaniei) ;

- G este greutatea totala structurala si nestructurala a constructiei.

Coeficientul βr defineste transmisibilitatea actiunii seismice de la terenul de fundare la

constructie si el influenteaza foarte mult marimea fortelor seismice care actioneaza asupra unei

constructii intr-un amplasament. Coeficientul βr depinde de tipul de cutremur, rapid sau lent, de

tipul de teren de fundare si de politica de asigurare a constructiilor in diferite tari (vezi fig. 1.1 -

1.2).

Dupa cum rezulta din curbele βr marimea fortei seismice aplicata unei constructii, este

determinata si de perioada de vibratie a cladirii care se modifica odata cu degradarea constructiei.

Prin aceasta modificare in timpul unui cutremur constructia se deplaseaza din punct de vedere

dinamic pe axa orizontala a curbei βr pe zona de amplificare maxima (rezonanta) si in dreapta

zonei unde se produce fenomenul de izolare. Acest fenomen depinde foarte mult daca cutremurul

este rapid sau lent

Din pacate conceptia de comportare ductila a structurilor foarte buna pentru cutremurele

rapide (de suprafata) a fost preluata din practica internationala, fara adaptari, ca fiind buna si

pentru cutremurele lente (intermediare din Romania) desi din judecati si analize dinamice simple

rezulta contrariul.

1.1. Constructii afectate de cutremure de suprafata (rapide)

In cazul in care o constructie este afectata de un cutremur rapid, de suprafata si terenul de

fundare nu este un teren moale, asa cum sunt majoritatea cutremurelor din lume (SUA, Japonia,

Turcia, Iran, Irak, Italia, Grecia, etc.), prin acceptarea articulatiilor plastice constructia iese din

zona de amplificare maxima, vezi fig. 1.3, intrucat perioadele de vibratie cresc de pana la 2-3 ori

si devin mai mari decat perioada de colt Tc care are valori de 0.4 s pentru terenuri tari. Datorita

cresterii perioadei de oscilatie a constructiei degradate aceasta iese din zona de amplificare

maxima si lucrul mecanic al fortelor de interactiune duc la micsorarea energiei cinetice de

oscilatie a constructiei. In acest caz apar reduceri foarte mari ale acceleratiei totale a constructiei

3

intrucat cel putin primul mod de vibratie important al cladirii degradate iese din zona de

amplificare maxima a miscarii seismice si incarcarea seismica totala a cladirii se reduce mult. In

acest caz, cladirea trece din regimul de “rezonanta” fata de excitatia seismica in regim de

“izolare” fata de excitatia seismica. Este posibil ca unele moduri superioare de vibrare ale

constructiei degradate, sa intre in zona de amplificare maxima a miscarii seismice si sa aibe o

contributie importanta la miscarea de ansamblu a constructiei degradate .

Constatarea practica ca multe constructii sunt rupte de cutremure la etajele 2-3 poate fi

explicata prin intrarea in regim de rezonanta cu miscarea seismica a modurilor superioare de

vibrare a cladirii degradate.

Valoarea coeficientului Ψ trebuie determinata functie de departarea perioadelor de

oscilatie a modurilor proprii importante ale cladirii de perioada de colt Tc si de forma curbei βr si

nu trebuie sa fie lasata la flerul proiectantului de structuri.

Totodata, trebuie mentionat faptul ca prin aparitia articulatiilor plastice si a altor degradari,

creste amortizarea totala a intregului sistem oscilant cladire-teren, fapt ce duce la o reducere

suplimentara a incarcarilor de maximum 30%. Pe de alta parte cresterea amortizarii cladirii

datorita degradarii este nesigura si nu poate fi evaluata corect cantitativ.

In concluzie pentru constructiile afectate de un cutremur rapid de suprafata efectul de

reducere a incarcarilor seismice este dat atat din iesirea cladirii degradate din zona amplificarii

maxime a curbei βr cat si de disiparea energiei seismice in articulatiile plastice. Ambele efecte

conduc la o reducere importanta a incarcarilor seismice si a solicitarilor seismice in elementele de

rezistenta. Trecerea cladirii din zona de rezonanta in zona de izolare are un efect de cateva ori

mai mare decat cresterea amortizarii datorita aparitiei articulatiei plastice.

1.2. Constructii afectate de cutremure intermediare (lente)

In cazul in care o constructie este afectata de un cutremur lent, cum sunt cutremurele

intermediare vrancene sau constructia este fundata pe un teren moale si afectata inclusiv de un

cutremur de suprafata, atunci degradarile locale ale cladirii vor duce la cresterea perioadelor de

oscilatie ale acesteia, dar in acest caz, constructia in loc sa iasa din zona de amplificare maxima a

excitatiei seismice, ramane in aceasta zona sau in unele cazuri cladirea intra in zona de

amplificare maxima (vezi fig. 1.4). Acest fenomen se produce numai la cutremurele lente intrucat

cresterea perioadelor de oscilatie ale constructiei degradate, nu pot fi asa de mari incat constructia

sa iasa din zona de amplificare maxima a cutremurelor lente si totodata constructia sa-si pastreze

integritatea intrucat nu are loc trecerea constructiei in zona de izolare a curbei βr asa cum se

intampla la cutremurele rapide .

Trebuie mentionat faptul ca la constructiile care permit articulatii plastice cu deformatii

mari cresterea amortizarii totale este relativ mica, iar reducerea acceleratiilor seismice si in

consecinta a fortelor seismice nu este importanta ca sa se justifice o reducere a incarcarilor

seismice conform factorului Ψ. Aceasta reducere teoretic poate fi de maxim 0,3 chiar daca se tine

seama si de ductilitatea cladirii si redistribuirea eforturilor.

Daca se tine seama de faptul ca pentru o constructie afectata de un cutremur doar un

procent foarte mic, sub 5 %, din ansamblul elementelor structurale intra in domeniul plastic de

solicitare, restul ramanand in domeniul elastic, reducerea acceleratiilor seismice ale cladirii

datorita cresterii de amortizare este mult mai mica.

Pe de alta parte, aceasta reducere nu poate fi bine controlata intrucat mecanismul de

degradare nu poate fi controlat la deformatii mari ale elementelor structurale.

Reducerea solicitarilor seismice in elementele de rezistenta cu un coeficient Ψ cuprins, conform

P100/1992, intre 0.17 – 0.65 pentru structuri metalice de exemplu este o eroare pentru

cutremurele intermediare vrancene. Acest coeficient poate fi de minimum 0.4 asa cum rezulta din

curba βr din Normativul P100.

Reducerea solicitarilor seismice prin iesirea din zona de amplificare maxima care se

produce doar la degradarea constructiilor afectate de cutremurele rapide de suprafata nu poate fi

4

aplicata si la constructiile amplasate in zonele afectate de cutremurele lente cum sunt cutremurele

intermediare vrancene sau la constructii fundate pe terenuri moi. In acest caz aplicarea

prevederilor normativului poate avea efect opus deoarece poate sa apara si o marire a transferului

de energie de la teren la constructii datorita fenomenului de rezonanta intre constructia

flexibilizata datorita degradarilor si componentelor periodice dominante ale miscarii seismice care

in final va duce la distrugerea cladirii. Coeficientul Ψ trebuie sa fie definit pentru cele doua tipuri

de cutremure: cutremure rapide si lente functie de conditiile locale caracterizate prin perioada de

colt Tc.

Fig. 1.1 Curba de amplificare a miscarii

seismice transmisa cladirilor – conform

P-100-92

Fig.1.2 Curba de amplificare a miscarii

seismice transmisa cladirilor conform

EUROCODE8-1994

Fig. 1.3. Reducerea incarcarii seismice cu

degradarea constructiei pentru cutremure de

suprafata prin iesirea constructiei degradate

din zona de rezonanta tranzitorie

Fig. 1.4. Marirea incarcarii seismice cu

degradarea constructiei pentru cutremurele

intermediare vrancene prin intrarea

constructiei degradate si mentinerea in zona

de amplificare maxima

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4

building oscillation period (sec)

dyn

am

ic a

mp

lifi

cati

on

co

eff

icie

nt

hard soil

medium soil

soft soil

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

building oscillation period (sec)d

yn

am

ic a

mp

lifi

cati

on

co

eff

icie

nt

hard soil

medium soil

soft soil

Period of un-

damaged building

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Period of oscillation (s)

Dynam

ic a

mplif

cation r

ation.

Seismic loading decrease

Period of damaged

building

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

building oscilation period (s)

Increase of the

seismic load due to

damaging

dy

na

mic

am

pli

fica

tio

n r

ati

on

5

2. ANALIZA TRANSMITERII ACTIUNILOR SEISMICE DE LA TEREN LA

CONSTRUCTII

Constructiile, pentru a prelua in conditii de siguranta incarcarile din cutremure trebuie in

asa fel concepute, proiectate si realizate incat transferul de energie si impuls seismic de la terenul

de fundare la constructie sa se realizeze cu forte de interactiune cat mai mici si cantitatea de

energie si impuls transferata cladirii sa fie minima. Pentru aceasta miscarea oscilatorie proprie a

constructiei trebuie sa nu fie in faza cu miscarea seismica. Trebuie ca o cantitate cat mai mare din

energia constructiei sa se consume prin transformarea ei in caldura si lucrul mecanic al fortelor de

excitatie sa duca la micsorarea energiei cinetice a constructiei.

Pentru o intelegere cat mai buna a modului de transmitere a impulsului si energiei seismice

de la terenul de fundare la constructie sa consideram cel mai simplu model dinamic pentru o

constructie, realizata dintr-o masa concentrata m si un element care are rigiditatea k si

amortizarea relativaν care leaga masa de terenul de fundare. Acest model, cu un singur grad de

libertate pe o directie, este pus in miscare prin translatia bazei. Modul in care se comporta o

constructie supusa unei actiuni seismice in diferite moduri de realizare este prezentat schematic pe

modelul din figura 2.1.

Conform legilor de variatie a energiei si impulsului pentru acest model se poate scrie la un

moment i :

iiiEdF ∆=∆⋅

iiiItF ∆=∆⋅

unde :

E∆ - energia seismica transmisa de la terenul de fundare la cladire;

I∆ - impulsul seismic transmis de la terenul de fundare la cladire;

F - forta care realizeaza transmiterea impulsului si energiei seismice de la terenul de fundare la

cladire;

d∆ - deplasarea relativa dintre terenul de fundare si cladire;

t∆ - durata de timp in care se face transferul de impuls si energie de la terenul de fundare la

cladire.

Daca impulsul si energia seismica se transmit de la terenul de fundare la constructie cu o

deformatie relativa d∆ mare si respectiv un timp t∆ lung atunci forta seismica F prin care se

realizeaza acest transfer si care va actiona asupra constructiei este mai mica intrucat produsele

dF ∆⋅ si respectiv tF ∆⋅ sunt constante pentru acele momente i .

6

Figura 2.1. Comportarea seismica a unei constructii in diferite variante de realizare;

a. comportarea seismica a unei constructii realizata in varianta clasica;

b. comportarea seismica a unei cladiri rigide izolate seismic;

c. comportarea seismica a unei cladiri flexibile cu controlul deformarii.

Pentru constructiile la care se realizeaza o legatura rigida cu terenul de fundare se transmite

integral energia si impulsul seismic de la teren la constructie atat in faza initiala cat si pe toata

durata cutremurului. Daca oscilatiile constructiei au perioade in zona de amplificare maxima a

curbei βr atunci energia transferata prin lucrul mecanic al fortelor de interactiune va duce la

marirea energiei si impulsului constructiei (cazul a). Daca perioadele de oscilare ale

constructiei sunt mai mari decat perioada de colt atunci energia transferata duce la micsorarea

energiei si impulsului constructiei.

In cazul in care intre constructie si terenul de fundare se introduce o legatura flexibila (cazul b)

sau constructia are o flexibilitate mare (cazul c) o cantitate mica de impuls si energie seismica

se transmit constructiei. In acest caz pe durata cutremurului fortele de interactiune duc la

micsorarea energiei si impulsului constructiei datorita faptului ca perioadele proprii ale

constructiei sunt mult mai mari decat perioada de colt a curbei βr.

3. VARIANTA 1 - IZOLAREA CONSTRUCTIILOR

Pentru constructii, de regula masive, rigide, realizate, de exemplu din zidarie portanta,

solutia de consolidare consta in practicarea unor orificii in peretii de la subsolul, demisolul sau

parterul cladirii avand deschiderea intre 1-2m (vezi fig. 3.1 – 3.7), la distante de 3 ÷6 m cu

inaltimea de cca. 1 m. Intr-o prima faza se realizeaza la partea inferioara si respectiv superioara a

golului cate o placa de beton armat. In acestea se inglobeaza piesele de prindere a dispozitivelor

mecanice de tip SERB-CON-I, care se vor monta in golurile create intr-o stare de precomprimare

maxima. Dupa montare, dispozitivele mecanice SERB-CON-I se decomprima circa 30% pentru a

reface starea de eforturi din perete in apropierea valorii existente inaintea realizarii golurilor. Intr-

o a doua etapa, in zona de separatie a infrastructurii de suprastructura, peretii se vor intari local cu

centuri de rigidizare din beton armat plasate atat la partea superioara cat si la partea inferioara a

golurilor. Centurile se vor realiza in sistem pereche la interiorul si la exteriorul zidurilor si se vor

lega intre ele prin intermediul placilor de beton armat, turnate in golurile create anterior.

Constructie si model simpluaaa

LEGENDA:

- Pozitia initiala

- Pozitia deformata a

t

b

t

c

t

k,

m

t

a

t

a

t

a

ν

7

Dupa intarirea betonului din centurile de rigidizare dispozitivele mecanice SERB-CON-I

se decomprima total si se vor elimina elementele de precomprimare pentru a nu exista pericolul de

blocare in timpul unui cutremur. Etapa finala va consta in taierea peretilor de legatura dintre

suprastructura si infrastructura, intre cele doua seturi de centuri de rigidizare. Ca urmare

suprastructura cladirii va fi rezemata numai pe dispozitivele mecanice tip SERB-CON-I.

Decomprimarea dispozitivelor mecanice se va realiza in trepte mici, care sa cuprinda

progresiv toate dispozitivele dispuse simetric in asa fel incat in cladire sa nu apara modificari

importante a starii de eforturi existente in structura inainte de aplicarea solutiei de consolidare prin

izolare si sa nu apara pericol de inclinare temporara a suprastructurii.

Dispozitivele mecanice SERB-CON-I vor sustine astfel suprastructura cladirii si vor

„rupe“ transmiterea directa a actiunii seismice de la terenul de fundare la suprastructura cladirii.

Rigiditatea si amortizarea dispozitivelor vor fi in asa fel stabilite pe cele trei directii incat in

timpul unui cutremur suprastructura cladirii sa ramana practic nemiscata ca un corp rigid, in timp

ce terenul de fundare impreuna cu infrastructura se va misca sub suprastructura cladirii. Totodata

se urmareste ca rigiditatea dispozitivelor sa fie astfel aleasa incat perioada proprie a

suprastructurii cladirii izolate sa difere cu cel putin 20% de perioada sau perioadele

componentelor armonice dominante asociate miscarii seismice estimate in amplasament.

Consolidarea cladirilor prin izolare cu dispozitivele SERB-CON-I asigură comportarea

controlata a acestora in timpul oricarui cutremur, indiferent de intensitatea si caracteristicile

dinamice ale miscarii seismice.

Trebuie mentionat faptul ca prin izolarea constructiilor cu dispozitivele SERB-CON-I

acceleratiile seismice maxime transmise suprastructurii nu vor depasi 0,05g cu conditia ca

dispozitivele sa poata prelua integral deplasarile seismice ale terenului de fundare. Acceleratiile

pot avea valori mai mari in situatia in care sistemul de izolare nu este capabil de a prelua integral

deplasarea relativa produsa de miscarile seismice. Aceste valori depind de raportul dintre

deplasarea seismica preluata de sistemul de izolare si deplasarea seismica totala a terenului in

amplasament.

Fig. 3.1. Izolarea seismica a constructiilor cu

dispozitive mecanice SERB-CON-I

Fig. 3.2. Dispozitiv SERB-CON-I de izolare.

Varianta dreptunghiulara

8

Fig. 3.3. Izolarea seismica a constructiilor - etapa 1. Realizarea golurilor in peretii subsolului,

demisolului sau parterului cladirii in care se vor monta dispozitivele SERB-CON-I.

Fig. 3.4. Izolarea seismica a constructiilor - etapa 2. Turnarea placilor inferioara si superioara in

golurile realizate in etapa 1 necesare prinderii dispozitivelor SERB-CON-I.

j'

9

Fig.3.5. Izolarea seismica a constructiilor - etapa 3 in care se monteaza dispozitivele SERB-CON-

I precomprimate total, urmate de o decomprimare partiala si apoi pregatirea structurii pentru

turnarea centurilor interioare si exterioare din beton armat de rigidizare a infrastructurii si

suprastructurii in zona de separare.

Fig.3.6. Izolarea seismica a constructiilor - etapa 4. Turnarea centurilor inferioare si superioare de

la interiorul si exteriorul peretilor, conectate intre ele prin armatura care traverseaza peretii in

zona golurilor.

Fig.3.7. Izolarea seismica a constructiilor - etapa 5. Decomprimarea totala a dispozitivelor

SERB-CON-I dupa taierea orizontala a peretilor dintre goluri

10

REZULTATE EXPERIMENTALE

Pentru izolarea seismica a constructiilor s-au conceput, proiectat, realizat si experimentat

prototipuri de dispozitive SERB-CON-I.

Geometria acestor dispozitive poate fi paralelipipedica sau cilindrica, fiind realizate sub

forma unor casete in care se include unul sau mai multe dispozitive.

Dimensiunile uzuale in plan ale unei casete paralelipipedice sunt de 600 x 1200 mm pentru

a putea fi usor incorporata in peretii monumentelor istorice, iar inaltimea este dependenta de

deplasarea laterala maxima a constructiei izolate.

In continuare se prezinta incercari experimentale efectuate pe un element cilindric de

dispozitiv SERB-CON-I

Rezultatele obtinute demonstreaza ca aceste dispozitive se pot realiza cu orice

caracteristici neliniare si amortizare dorite atat pe directie verticala cat si pentru orice directie in

planul orizontal.

Prototipurile realizate au fost supuse la incarcari statice echivalente cu incarcarea din

greutatea proprie a cladirii transmisa dispozitivelor peste care s-au suprapus incarcari dinamice

ciclice care vor simula incarcarile variabile pe verticala si orizontala ca urmare a unor miscari

seismice.

In figura 3.8 se prezinta montajul pentru incercari cvasistatice de compresiune-destindere a

unui element SERB-CON-I

In figurile 3.9 si 3.10 se prezinta montajul realizat pentru actiunile dinamice efectuate cu

ajutorul unor hidropulsuri asupra unui element SERB-CON-I.

In figurile 3.11 si 3.12 se prezinta relatia forta – deplasare pentru o actiune seismica pe

directie verticala si o preincarcare de 20 KN si respectiv 40 KN, iar in figurile 3.13 si 3.14 se

prezinta caracteristica forta – deplasare pentru actiunea seismica pe directie orizontala cand

dispozitivul este supus unor incarcari verticale ciclice asociate unor greutatii a constructiei de 100

KN.

Fig.3.8. Incercari cvasistatice pe un element

cilindric al dispozitivului SERB-CON-I

supus la incarcari cvasistatice verticale.

Fig.3.9. Montajul realizat pentru incarcare

dinamica a unui element cilindric al

dispozitivului SERB-CON-I supus la actiuni

dinamice verticale si orizontale aplicate

simultan

11

Fig. 3.10. Aspecte in timpul incercarilor dinamice pe un element cilindric al dispozitivului

SERB-CON-I supus la actiuni dinamice in directie orizontala si verticala aplicate simultan

pentru punerea in evidenta a deformatiilor in planul orizontal si pe verticala.

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

Fort

a [

kN

]

Deplasarea [ mm ]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

Deplasarea [ mm ]

Fort

a [k

N]

Fig. 3.11. Diagrama forta - deplasare

verticala pentru un element cilindric al

dispozitivului SERB-CON-I cu

precomprimare initiala de 20kN supus la o

incarcare armonica verticala cu amplitudini

intre 0 – 90 kN echivalenta miscarii seismice

pe verticala.

Amortizare relativa: 29.6%.

Fig. 3.12. Diagrama forta - deplasare pe

directie verticala pentru un element cilindric

al dispozitivului SERB-CON-I cu

precomprimare initiala de 40kN supus unei

incarcari armonice cu amplitudinea intre 0-

70kN echivalenta miscarii seismice pe

verticala.

Amortizare relativa: 46.1%

12

Fig.3.13. Diagrama forta - deplasare

orizontala pentru un element cilindric al

dispozitivului SERB-CON-I cu o incarcare

permanenta verticala de 100 KN supus unei

incarcari orizontale, sinusoidala cu frecventa

0.5Hz si amplitudinea de ± 8 mm

Fig. 3.14 . Diagrama forta - deplasare

orizontala pentru un element cilindric al

dispozitivului SERB-CON-I cu o incarcare

permanenta verticala de 100 KN si supus unei

incarcari orizontale, sinusoidala cu frecventa

1Hz, si amplitudinea de ±9mm.

Din analiza acestor diagrame reiese faptul ca dispozitivele SERB-CON-I au capacitatea de

a „taia“ transmiterea actiunii seismice de la terenul de fundare respectiv infrastructura cladirii la

suprastructura cladirii. La o incarcare de 100 KN dispozitivul poate efectua miscari de deplasare

prin deformare in planul orizontal datorita actiunii unor forte mici de circa 5% din incarcarea

verticala, ceea ce inseamna ca indiferent de marimea actiunii seismice care afecteaza

amplasamentul, la suprastructura cladirii se transmite o forta care reprezinta 5% din greutatea

totala a cladirii, ceea ce corespunde unei acceleratii seismice orizontale totale de maxim 0,05g, in

limitele unor deplasari seismice maxime mai mici sau egale cu deplasarea admisa de dispozitive.

Daca dispozitivele pot asigura numai o fractiune din deplasarea seismica maxima a

terenului, de exemplu 60%, atunci efectul benefic al reducerii fortelor seismice transmise cladirii

se va diminua acceleratia seismica transmisa cladirii va creste cu circa 20% ajungand la valoarea

de circa 0,06g functie de caracteristica forta-deformare.

Incercarile experimentale efectuate la Laboratorul de Hidropulsuri de la INMA Baneasa au

fost realizate si pentru deplasari laterale de pana la ±120 mm (valoarea maxima impusa de limitele

hidropulsului). In toate situatiile testele efectuate au pus in evidenta faptul ca dispozitivele SERB-

CON-I pot asigura in conditii de siguranta si stabilitate deplasari laterale mari cu forte laterale in

jur de 5% din incarcarea verticala ceea ce asigura o transmisibilitate redusa pentru energia si

impulsul seismic de la infrastructura la suprastructura cladirii izolate.

Incercarile experimentale au fost efectuate pentru incarcari verticale totale statice si dinamice de

maxim 250 KN din cauza limitei impuse de hidropulsurile existente in dotarea laboratorului de la

INMA Baneasa.

Avand in vedere faptul ca intr-o caseta se pot monta intre 2 pana la 8 elemente cilindrice

rezulta ca incarcarea totala reala preluata de o caseta poate fi intre 500 – 2000 KN ceea ce este

suficient pentru cladirile curente si care urmeaza a fi consolidate.

Consolidarea unei cladiri sau a unui tronson de cladire prin izolare cu ajutorul dispozitivului

mecanic SERB-CON-I necesita existenta unui „rost seismic“ fata de cladirile invecinate.

Marimea acestui „rost seismic“ depinde de conditiile geologice locale, dimensiunile cladirii in

plan orizontal si vertical precum si de flexibilitatea cladirilor. Uzual rosturile seismice sunt intre

10 - 40 cm functie si de inaltimea acestora.

4. VARIANTA 2 – CONTROLUL DEFORMARII CONSTRUCTIILOR

Varianat 2 consta in inserarea in structura de rezistenta a cladirilor a unor dispozitive

mecanice SERB-CON-B montate in contravantuiri telescopice cu ajutorul carora se realizeaza

13

controlul deformarii relative de nivel a suprastructurii cladirii (vezi fig. 4.1). Prin acest procedeu

se reduc solicitarile in elementele de rezistenta existente (stalpi si grinzi) in asa fel incat

articulatiile plastice sunt limitate la valori prestabilite care sa asigure atat o transmisibilitate mica

de la terenul de fundare la cladire si o crestere a amortizarii pentru reducerea raspunsului seismic.

Datorita faptului ca nu se maresc dimensiunile stalpilor prin camasuire ca in cazul consolidarii

elastice si contravantuirile telescopice au rigiditate mica la deformatii mici prestabilite, parterul si

etajele in care se monteaza contravantuirile telescopice raman cu flexibilitate mare, ceea ce face

ca sa se poata deforma cu forte relativ mici. Stabilitatea cladirii este asigurata prin cresterea

progresiva de rigiditate. Totodata, contravantuirile telescopice se realizeaza la alt mod de preluare

a incarcarilor seismice orizontale, iar degradarile locale daca apar se limiteaza la valori care nu

duc la o flexibilizare mare a cladirii pentru a intra in zona de rezonanta tranzitorie cu miscarea

seismica. Contravantuirile telescopice, de regula permit o deformare relativa de nivel de 0,3% –

0,5% din inaltimea lui in functie de tipul cladirii, in asa fel incat sa nu apara suprasolicitarea

grinzilor si stalpilor care in general sunt subdimensionate la cladirile vechi care urmeaza a fi

consolidate.

Dispozitivele SERB-CON-B realizeaza protejarea cladirii la cutremur prin controlul,

limitarea si analizarea miscarii seismice a cladirii in asa fel incat alungirile si scurtarile

contravantuirilor telescopice sa limiteze deplasarea relativa de nivel a cladirii si solicitarile in

stalpi si grinzi la valori prestabilite in asa fel incat sa nu se afecteze capacitatea de rezistenta a

elementelor structurale, sa nu fie distruse elementele nestructurale si sa fie in acord cu cerintele

impuse de noile functii ale cladirii consolidate.

Fig. 4.1. Controlul deformarii cladirilor

flexibile cu dispozitive SERB-CON-B

Fig. 4.2. Montarea contravantuirilor telescopice

la o structura in cadre de beton armat existenta.

Contravantuirile telescopice se monteaza la partea inferioara si medie a cladirii, iar in

continuare la partea superioara se recomanda a se monta contravantuiri rigide pe anumite nivele

pentru ca incarcarile seismice orizontale sa fie preluate si transmise la fundatie prin forte axiale in

contravantuiri fixate de nodurile cladirii si nu prin forte si momente in stalpi care la valorile mari

din partea inferioara pot duce la suprasolicitarea grinzilor, care de regula sunt slab armate la

constructiile vechi.

In fig. 4.2 este prezentat modelul de montare al contravantuirilor telescopice pentru

consolidarea unei structuri in cadre de beton armat in care panoul contravantuit este intarit prin

montare de corniere metalice pe colturile stalpilor si grinzilor legate prin benzi transversale, iar

nodurile sunt camasuite pentru preluarea incarcarilor de la structura de beton armat. In fig. 4.3 –

4.4 sunt prezentate doua tipuri de dispozitive SERB-CON-B realizate si testate.

14

Pentru determinarea caracteristicilor de rigiditate si amortizare a dispozitivelor SERB-

CON-B s-au efectuat incercari cvasistatice in figura 4.5. si dinamice in figura 4.6.

O caracteristica de rigiditate si amortizare determinata experimental pentru un tip de

dispozitiv SERB-CON-B este prezentata in figura 4.7, fara prestrangere initiala si in figura 4.8 cu

prestrangere initiala.

Trebuie retinut faptul ca dispozitivele sunt astfel concepute incat sa se poata realiza practic

orice caracteristica forta – deformare prin modificari minime ca de exemplu geometria pieselor

deformatoare centrale si periferice, grosimea si numarul de lamele elastice.

Centurile, stalpii si diagonalele realizate de regula din platbande sau bare sunt tensionate

cu dispozitive SERB-CON-B care sa permita alungiri si scurtari ale lor in asa fel incat sa se

admita aparitia sau dezvoltarea limitata a unor fisuri existente in peretii cladirii fara prabusirea

acestora.

Figura 4.3. Dispozitiv SERB-CON-B capsulat. Figura 4.4. Dispozitiv SERB-CON-B cu tije.

Figura 4.5. Incercari cvasistatice ale

dispozitivului SERB-CON-B cu tije

Figura 4.6. Incercari dinamice ale

dispozitivului SERB-CON-B capsulat

15

Fig. 4.7. Diagrama forta – deformare pentru

un dispozitiv SERB-CON-B fara

precomprimare initiala. Amortizare 43,3%.

Fig. 4.8. Diagrama forta – deformare a unui

dispozitiv SERB-CON-B cu precomprimare

initiala de 10KN. Amortizare 41,9%.

5. VARIANTA 3. CONTROLUL IMBINARILOR SI DEFORMATIILOR

CONSTRUCTIILOR SPATIALE

5.1. Constructii spatiale rezistente la actiuni dinamice in conceptia SERB-SITON Constructiile in conceptia SERB-SITON, pentru a rezista la actiuni dinamice trebuie

realizate din module care sunt rigide fata de actiunea dinamica. Modulele se leaga la fundatie si se

imbina intre ele cu elemente tip SERB-CON-B cu rigiditate neliniara si amortizare mare.

Ansamblul format trebuie sa fie flexibil fata de actiunea dinamica iar transmisibilitatea actiunii

dinamice de la un modul la altul este mica. Reglarea rigiditatii imbinarilor dintre module se fece

prin prestrangere elementelor SERB-CON-B de legatura in asa fel incat sa se asigure stabilitatea

constructiei si o transmisibilitate cat mai mica a actiunii seismice atat de la teren la constructie cat

si de la un modul la altul.

Prin aceasta realizare modurile proprii de vibratie ale constructiei cu factor de participare

importanti au frecventele proprii de vibratie in afara zonei de amplificare maxima a excitatiei

ceea ce asigura un transfer minim de energie si impuls de la excitatie la structura cat si o disipare

mare a energiei transferate.

5.2. Dispozitive SERB-CON-B cu elasticitate si amortizare controlata. Dispozitivele SERB-CON-B sunt realizate din una sau mai multe structuri sendvis montate

in serie sau paralel intre piesa deformatoare centrale si/sau periferice. Ansamblul format este

inglobat in casete de regula cilindrice.

Forma si dimensiunile dispozitivelor depind de locul in care sunt folosite.

Pentru imbinarea modulelor de structuri spatiale sau prinderea acestora de fundatie se

utilizeaza dispozitive de tip SERB-CON-BS care au forma unei saibe groase (vezi fig. 5.1 si 5.2).

Pentru conectarea intre ele a diferitelor noduri de structuri spatiale se utilizeaza dispozitive

tip SERB-CON-BT care lucreaza ca un telescop (vezi fig. 5.3).

Rigiditatea dispozitivelor de tip SERB-CON-B este neliniar geometrica iar amortizarea

este reglabila.

Pe aceste dispozitive s-au efectuat determinari experimentale cvasistatice si dinamice.

Curbele caracteristice obtinute experimental pentru cateva dispozitive sunt date in figurile 5.4 si

5.5.

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

x 10-3

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10

5

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6

x 10-3

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10

5

16

Fig. 5.1. Dispozitiv tip

SERB-CON-BS Fig. 5.2 Detaliu montaj

SERB-CON-BS

Fig. 5.3 Dispozitiv tip SERB-

CON-BT

Fig. 5.4. Diagrama histerezis SERB-CON-BS

Fig. 5.5. Diagrama histerezis SERB-CON-BT

5.3. Exemple de prinderi si de imbinari a modulelor structurilor spatiale cu dispozitive

tip SERB-CON-B Prinderea structurilor spatiale la fundatie se poate face cu ajutorul unor dispozitive SERB-

CON-BS de sustinere si respectiv de prestrangere care se monteaza pe buloanele de fixare sub si

respectiv deasupra talpii de prindere a modulelor. Ansamblul este prestrans cu piulite pana se

realizeaza rigiditatea dorita (vezi fig. 5.6).

Imbinarile dintre modulele structurii spatiale se realizeaza cu ajutorul a trei dispozitive

SERB-CON-B montate intre placile de prindere ale modulelor si la exteriorul lor, ansamblul fiind

prestrans cu suruburi si piulite pana la obtinere rigiditatii si amortizarii dorite (vezi fig. 5.7).

Prinderile intre nodurile structurii se face cu ajutorul unor elemente telescopice realizate de

regula din doua profile U solidarizate cu platbande pentru cresterea capacitatii de rezistenta la

flambaj sau tronsoane de teava care la unul sau ambele capete are montat cate un dispozitiv

telescopic tip SERB-CON-BT vezi figura 5.8.

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10

5

17

Fig. 5.6 Prinderea

structurii spatiale la

fundatie cu dispozitive

SERB-CON-BS

Fig. 5.7 Asamblarea structurii

spatiale cu dispozitive

SERB-CON-BS

Fig.5.8 Elemente telescopice cu

dispozitive SERB-CON-BT

pentru controlul deformarii si

amortizarii

Avantajele consolidarii constructiilor cu ajutorul dispozitivelor SERB-CON

Solutia de crestere a capacitatii de rezistenta a constructiilor existente la cutremure prin

utilizarea dispozitivelor mecanice SERB-CON are urmatoarele avantaje generale fata de solutiile

clasice:

- este pe ansamblu de circa 2-3 ori mai ieftina;

- se realizeaza intr-un timp de circa 3-4 ori mai scurt;

- nu este necesara eliberarea spatiilor pentru interventia echipei de consolidare in varianta 1

de consolidare, iar in varianta 2 de consolidare este necesara restrangerea esalonata a

activitatii pe timp scurt in unele camere ale cladirii;

- deseurile rezultate in urma consolidarii sunt de circa 10 - 15 ori mai mici fata de solutiile

clasice de consolidare, iar manipularea acestora se poate face pe spatiile uzuale de acces fara

a afecta functionalitatea cladirii;

- materialele de consolidare sunt realizate din otel, mortare de ciment sau beton armat in

cantitati mici care, de asemenea, pot fi manipulate pe spatiile uzuale de acces impreuna cu

dispozitivele SERB-CON;

- partea de arhitectura a cladirii este afectata foarte putin prin interventii locale realizate in

general in interiorul cladirii la suprastructura sau in infrastructura;

- organizarea de santier poate fi realizata in spatii foarte mici existente, ceea ce permite

consolidarea cladirilor de pe principalele artere de circulatie ale oraselor.