Soluții alternative pentru structuri din oțel cu contravântuiri centrice

In articol sunt analizate variante de inlocuire a contravantuirilor constructiilor din otel cu disipatori de

energie prin frecare si vascosi.

Pentru analiza este considerata o structura metalica multietajata duala, avand cate patru panouri cu

contravantuiri in lungul fiecarei directii principale. Structura este regulata, are 14 niveluri, 3 deschideri si

3 travei. Aceasta este conceputa si dimensionata in acord cu prevederile P100-2006, pentru zona orasului

Bucuresti. Existenta a patru panouri cu contravantuiri pe fiecare directie principala permite abordarea

mai multor variante structurale, obtinute prin inlocuirea contravantuirilor cu disipatori de energie in doua

sau in toate cele patru panouri. Sunt astfel analizate comparativ performantele urmatoarelor solutii:

structura cu contravantuiri centrice (solutia "clasica"), structura cu diagonale centrice si disipatori de

energie vascosi, structura cu disipatori de energie prin frecare, structura cu disipatori de energie prin

frecare si vascosi. Termenii de comparatie in cazul acestor variante sunt constituiti de valorile anumitor

marimi ale raspunsului structurii (deplasare la varf, acceleratie absoluta la varf, forta taietoare de baza,

deplasari relative de nivel, etc), obtinute prin calcul dinamic neliniar.

In lucrare sunt date relatii de predimensionare pentru dispozitivele neconventionale de disipare si este

formulat un model simplificat, original, pentru comportarea postcritica a barelor comprimate.

Sunt prezentate concluziile care atesta eficienta dispozitivelor neconventionale de energie.

1. INTRODUCERE

Sistemul structural cu contravantuiri centrice constituie o solutie frecvent utilizata in cazul

constructiilor metalice multietajate amplasate in zone seismice. Utilizarea acestora este insotita insa de

anumite dezavantaje, intre care se pot mentiona degradarea rapida a capacitatii portante si a rigiditatii

contravantuirilor. Acestea sunt cauzate de comportarea defavorabila la solicitari ciclice a contravantuirilor

centrice. In vederea remedierii acestui neajuns, sunt investigate posibilitati alternative de inlocuire a

contravantuirilor centrice (in totalitate, sau o parte a acestora) cu dispozitive de disipare de energie prin

frecare sau/si de tip vascos. Sunt astfel analizate comparativ patru tipuri de sisteme structurale avand diverse

mecanisme de disipare a energiei indusa de actiunea seismica: prin histereza (plastificarea otelului si frecare)

si amortizare de tip vascos. Primul dintre acestea ("varianta 1") este sistemul structural clasic, cu

contravantuiri centrice. Celelalte trei ("variantele 2?4") reprezinta sisteme structurale alternative, la care

diagonalele au fost inlocuite partial sau total cu dispozitive de disipare de energie prin frecare si/sau vascoase.

Pentru analiza au fost utilizate programele de calcul SAP2000, ANSR.

2. DESCRIEREA STRUCTURII IN VARIANTA CLASICA (VARIANTA 1)

In varianta 1 (clasica) disiparea de energie se face integral (daca se neglijaza amortizarea vascoasa

echivalenta intrinseca) prin plastificarea zonelor disipative (diagonale intinse, grinzi de cadru necontravantuit

si eventual bazele stalpilor).

In lungul fiecarei directii principale exista cate patru panouri cu contravantuiri. Contravantuirile sunt in "X"

pe doua niveluri (intersectia acestora se face la mijlocul grinzilor de cadru). Modul in care sunt dispuse

panourile cu contravantuiri si grinzile secundare poate fi observat in figura 2.

Rezultanta incarcarilor gravitationale in gruparea ce contine actiunea seismica este de 46855 kN. Primele

doua moduri proprii de vibratie sunt de translatie cu T1 = 1.48 sec si T2 = 1.46 sec. Elementele structurale

au fost predimensionate aplicand metoda fortelor seismice static echivalente [conform P100-2006] (SCOD =

1 Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, gvezeanu@utcb.ro, george_vezeanu@yahoo.com

2 Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, stbetea@utcb.ro, stbetea@yahoo.com

7886 kN, ?I = 1.2). Dimensiunile finale au fost stabilite prin calcul static si dinamic neliniar. Excitatia

utilizata pentru validarea sectiunilor prin calcul dinamic neliniar este accelerograma Vrancea 1977, N-S,

INCERC Bucuresti, cu ordonate multiplicate cu factorul 1.2.

Figura 1 - Vedere axonometrica si elevatie cadru marginal

Pentru elementele structurale au fost utilizate urmatoarele tipuri de sectiuni: stalpi - cruce de malta,

grinzi principale si secundare - dublu T, contravantuiri - teava cu sectiune circulara. Dimensiunile

sectiunilor sunt date in tabelele 1 - 3. Placile de planseu (compozite - beton armat si tabla cutata) apar

implicit in modelul de calcul prin sarcina transmisa de catre acestea si constrangerile cinematice aplicate

nodurilor din dreptul fiecarui planseu (considerat infinit rigid in planul lui).

Digambar P. Mondkar, Graham H. Powell, ANSR II - Analysis of Nonliniar Structural Response Users Manual, Earthquake

Engineering Research Center, Report No.UCB/EERC-79/17, July 1979, p. 45 - 46

Brad J. Shabak, (April 2001), Behaviour of Square HSS Braces with End Connections under Reversed Cyclic Axial Loading, Thesis

Submitted to the Faculty of Graduate Students in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science,

Department of Civil Engineering Calgary, Alberta April 2001, p. 31 - 51, p. 60 - 213

Charles E. Roeder, Egor P. Popov (1977), Inelastic Behavior of Eccentrically Braced Steel Frames Under Cyclic Loadings,

Earthquake Engineering Research Center, Report No. UBC/EERC-77/18, Appendix D, p. 289 - 301

CSI Analysis Reference Manual for SAP2000, Computers & Structures Inc. April 2009, Berkeley, California, p. 257 - 263

Dalban C., Dima S., Chesaru E., Serbescu C., (1997), Constructii cu Structura Metalica, Ed. Didactica si Pedagogica Bucuresti, Cap.

16, p. 649 - 670

FEMA 356, (2000), Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management

Agency, p. 5.1 - 5.54, p. 9.1 - 9.33.

Helmut Kober, Stefan Betea, (2008), An Alternative Method for the Design of Concentrically Braced Frames, Procedings of

Eurosteel 2008, Graz, Austria, Vol. B, p.1425 - 1431

Jun Jin, Sherif El-Tawil, (2003), Inelastic Cyclic Model for Steel Braces, Journal of Engineering Mechanics, Vol.129, No.5, ASCE,

May 1, 2003, p. 548 - 557

M. Pavel, St. Betea, G. Vezeanu L Stanciu, (2007), Structural Control Systems for Base Isolated Buildings, Thirty Years from the

Romanian Earthquake of March 4, 1977, Bucharest Romania 1 - 3 March 2007

P100-2006, Normativ de proiectare seismica, Cap.3, Cap.4, p. 4.2 - 4.15, Cap.6, p. 6.1 - 6.10, p.6.16 - 6.20, Anexa A, p.5, Anexa D

Trevor E. Kelly, In-Structure Damping and Energy Dissipation, Design Guidelines, S.E. Holmes Consulting Group, 2001, p. 21 - 30,

p. 51 - 73

Solutii alternative pentru structuri din otel cu contravantuiri centrice

-Introducere-Descrierea structurii in varianta clasica-Comportarea postcritica a barelor comprimate-Descrierea variantelor structurale alternative-Rezultate obtinute-Concluzii