UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea Construcții Civile Industriale şi Agricole

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Studii asupra sistemelor hibride de

izolare seismică a bazei

considerând controlul pasiv

Doctorand

Ing. Dănilă Gh. Gabriel

Conducător științific

Prof. univ. dr. ing. Dan LUNGU

BUCUREŞTI

2013

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea Construcții Civile Industriale şi Agricole

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor

universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse

oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB, cod

POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale

Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Universitatea Tehnică de

Construcții București.

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Studii asupra sistemelor hibride de

izolare seismică a bazei

considerând controlul pasiv

Doctorand

Ing. Dănilă Gh. Gabriel

Conducător de doctorat

Prof. univ. dr. ing. Dan LUNGU

BUCUREŞTI

2013

i

CUPRINS: 1. Introducere .......................................................................................................................1

2. Dispozitive de control pasiv folosite la izolarea seismică .............................................1

2.1. Izolatori cu amortizare mică ..................................................................................... 1

2.2. Izolatori cu miez de plumb ....................................................................................... 1

2.3. Izolatori cu amortizare mare ..................................................................................... 2

2.4. Izolatori tip pendul cu frecare ................................................................................... 2

2.5. Izolator elastic cu frecare .......................................................................................... 2

2.6. Izolator seismic rulant ............................................................................................... 3

2.7. Amortizori din plumb ............................................................................................... 3

2.8. Amortizori din oțel .................................................................................................... 3

2.9. Amortizori cu fluid vâscos ........................................................................................ 3

3. Calculul dispozitivelor de control pasiv .........................................................................4

4. Metode de analiză a structurilor izolate la acțiunea seismică......................................4

4.1. Studiu de caz. Izolarea seismică a unei construcții monument istoric ...................... 4

5. Studiul sistemelor hibride de izolare seismică a bazei ..................................................6

5.1. Descrierea structurii analizate ................................................................................... 6

5.2. Acțiunea seismică ..................................................................................................... 7

5.3. Analiza statică liniară ................................................................................................ 7

5.4. Analiza dinamică neliniară ....................................................................................... 8

5.4.1. Răspunsul în deplasări .............................................................................................. 8

5.4.2. Răspunsul în accelerații ............................................................................................ 9

5.4.3. Forțe tăietoare de bază ............................................................................................ 10

6. Utilizarea analizelor statice neliniare la structuri izolate seismic .............................11

6.1. Descrierea structurilor analizate ............................................................................. 11

6.2. Analiza neliniară a structurilor................................................................................ 11

6.2.1. Studiu comparativ pe structura P+3E ..................................................................... 12

6.2.2. Studiu comparativ pe structura P+14E ................................................................... 13

7. Concluzii și contribuții personale .................................................................................15

7.1. Concluzii rezultate în urma studiului literaturii de specialitate .............................. 15

7.2. Concluzii rezultate în urma studiilor din teza de doctorat ...................................... 16

7.3. Contribuții proprii ................................................................................................... 17

7.4. Direcții viitoare de cercetare ................................................................................... 17

Cuvinte cheie: accelerogramă, amortizor, analiză dinamică neliniară, analiză statică neliniară,

model de comportare neliniară, construcție monument istoric, cutremur maxim considerat pe

amplasament, izolator.

1

1. Introducere

Primul sistem de izolare seismică a fost propus în 1909 de către doctorul englez Johannes

Avetican Calanteriants. El a sugerat separarea structurii de fundație printr-un strat de talc. [10]. Mai

târziu în 1969, izolatorii din cauciuc natural se foloseau pentru protecția seismică a școlii Pestalozzi

din Skopje, Macedonia. Izolatorii erau realizați din blocuri de cauciuc fără plăci metalice, care s-au

deformat sub greutatea clădirii aproximativ 25%. Izolatorii aveau o rigiditate verticală doar de câteva

ori mai mare decât cea orizontală, iar cauciucul nu poseda amortizare [10].

Începutul aplicării metodei de izolare s-a concretizat printr-un număr redus de clădiri izolate seismic.

După cutremurul din 1994 de la Northridge (Statele Unite ale Americii) și cutremurul din 1995 de la

Kobe (Japonia) numărul construcțiilor izolate seismic a crescut exponențial. Statisticile oficiale arată

că în Japonia, până în 1995 existau 84 de clădiri izolate seismic. După această dată numărul acestora

a crescut foarte mult, ajungând în anul 2009 la 2636 de clădiri izolate seismic [16].

În România, prima construcție izolată seismic este clădirea Victor Slăvescu din București aflată la

intersecția străzilor Calea Griviței cu Calea Victoriei, a cărei reabilitare s-a finalizat în anul 2010. Tot

în anul 2010 este realizat proiectul de izolare seismică a clădirii primăriei din Iași, cunoscută cu

numele de Palatul Roset-Roznovanu, dar fără a fi pus în execuție. O altă construcție izolată seismic

este Primăria Municipiului București, care la data realizării tezei era în faza de execuție. În final, în

anul 2013 a fost aprobat proiectul de consolidare a Arcului de Triunf din București, prin metoda

izolării seismice a bazei.

2. Dispozitive de control pasiv folosite la izolarea seismică

2.1. Izolatori cu amortizare mică

Izolatorii cu amortizare mică au fost realizați la început din cauciuc natural, mai târziu

proprietățile lor fiind îmbunătățite prin adăugarea unor plăci din oțel sau lamele. Cauciucuri sintetice,

precum neoprenul, pot fi folosite ca o alternativă la cauciucul natural. Ambele tipuri de cauciuc au

proprietăți stabile și nu se înregistrează curgere lentă sub încărcări de lungă durată. [1].

Principalul lor avantaj îl constituie comportamentul reologic stabil (neafectat de temperatură,

îmbătrânire, istoria și rata de încărcare) și tehnologia simplă de fabricație. În schimb, ele au ca

dezavantaj faptul că trebuie utilizate împreună cu sisteme suplimentare de disipare a energiei [9].

2.2. Izolatori cu miez de plumb

Izolatorii cu miez de plumb au fost inventați în Noua Zeelandă în 1975 și au fost folosiți

extensiv în Noua Zeelandă, Japonia și SUA. Izolatorii cu miez de plumb sunt asemănători cu

izolatorii cu amortizare mică, dar conțin unu sau mai multe miezuri de plumb, care sunt introduse în

găuri prestabilite. [10]. Performanțele izolatorilor cu miez de plumb depind de mărimea forței

2

laterale. Dacă forța laterală este mică, mișcarea lamelelor de oțel este împiedicată de miezul de plumb

rezultând astfel o rigiditate laterală mare a izolatorului. Dacă forța laterală devine mare lamelele de

oțel forțează miezul de plumb pentru a se deforma sau a curge, fiind asigurată astfel amortizarea

histeretică și absorbția de energie [1].

2.3. Izolatori cu amortizare mare

In 1982, Asociația de Cercetare a Producătorilor Malaezieni de Cauciuc din Marea Britanie a

dezvoltat un compus al cauciucului natural care să posede suficientă amortizare internă, astfel încât să

fie eliminată necesitatea folosirii dispozitivelor suplimentare de amortizare. Amortizarea este crescută

prin adăugarea carbonului extrafin, uleiuri, rășini și alți constituenți patentați. Amortizarea este astfel

crescută la valori între 10 și 20%, la deformații de forfecare de 100%, cu valoarea mai mică

corespunzătoare unei durități mici (duroscop 50-55) și modulul de deformație la forfecare în jurul

valorii de 0,34MPa, iar valoarea mai mare corespunzătoare unei durități mai mari (duroscop 70-75) și

modulul de deformație la forfecare în jurul valorii de 1,40MPa. Metoda de vulcanizare, lipire și

realizare a izolatorilor este neschimbată [10].

2.4. Izolatori tip pendul cu frecare

Izolatorul tip pendul cu frecare este un dispozitiv patentat cu suprafață de lunecare sferică,

care a fost folosit pe scară largă. Coeficientul de frecare asigură preluarea încărcărilor de serviciu.

Odată forța de frecare depășită, pivotul se mișcă pe suprafața sferică, rezultând astfel o mișcare

orizontală și una verticală, care asigură revenirea la poziția de echilibru [6]. O caracteristică notabilă a

acestui tip de izolator este aceea că forța laterală necesară inițierii lunecării este mai mare decât forța

laterală necesară pentru menținerea lunecării [1].

În literatura de specialitate au fost identificate patru tipuri de izolatori tip pendul cu frecare: izolator

tip pendul cu o suprafață de lunecare, izolator tip pendul cu două suprafețe de lunecare, izolator

triplu-pendul și izolator tip pendul cu cale de rulare.

Acești izolatori au avantajul că necesită costuri reduse de întreținere. Acoperirea cu teflon a oțelului

inoxidabil protejează eficient suprafața de lunecare. De asemenea, efectul îmbătrânirii și variației de

temperatură afectează greu proprietățile mecanice ale izolatorului [1].

2.5. Izolator elastic cu frecare

Acest izolator este alcătuit din straturi alternante de cauciuc și lamele metalice, care formează

partea elastică a izolatorului, având la un capăt o placă de bază, iar la celălalt capăt un material de

lunecare, care lunecă pe o suprafață din oțel inoxidabil.

Acest izolator este folosit în general pentru a izola părți ale unei clădiri, care sunt solicitate la

încărcări mici, precum suprafața de sub casa scării, dar poate fi folosit și ca sistem de izolare principal

datorită amortizării produsă de forța de frecare.

3

Izolatorul nu asigură revenirea la poziția inițială după producerea lunecării și din acest motiv este

folosit împreună cu izolatorii elastomerici, care au capacitate de recentrare [15].

2.6. Izolator seismic rulant

Izolatorul seismic rulant este compus dintr-un bloc de izolare având bile interioare din oțel ce

culisează pe o cale de rulare superioară și o cale de rulare inferioară puse cruciș (la un unghi drept),

dând posibilitatea de mișcare în orice direcție. Deoarece acest izolator poate prelua și forțe de

întindere este folosit și la clădiri înalte unde apar forțe de întindere importante în izolatori. Forța

axială determină mărimea și modelul izolatorului folosit acoperind o gamă variată de clădiri: de la

clădiri ușoare, la clădiri foarte înalte [4].

2.7. Amortizori din plumb

Amortizorii din plumb sunt realizați din plumb de puritate 99.99%, având rigiditate inițială

foarte mare. Printre avantajele acestui tip de amortizor se pot enumera: rigiditate inițială foarte mare

pentru a prelua încărcările date de acțiunea vântului, curbă histeretică stabilă pentru un număr mare

de cicluri de încărcare-descărcare, pot fi inspectați și înlocuiți foarte ușor în urma unui cutremur, nu

au probleme legate de coroziunea materialului, nu au probleme legate de îmbătrânirea materialului,

comportare similară la încărcări orizontale pe toate direcțiile orizontale, cost redus.

Dezavantajele acestui tip de amortizor sunt: forță de curgere mică și amortizare modestă. Pentru a

depăși aceste dezavantaje, amortizorii din plumb se folosesc de obicei împreună cu amortizorii din

oțel care posedă o forță de curgere relativ mare, dar au rigiditate inițială mică [11].

2.8. Amortizori din oțel

Amortizorii din oțel folosiți pentru izolarea seismică a bazei sunt utilizați pe scară largă în

Japonia, datorită eficienței lor la disiparea energiei și prețului scăzut. Principalii producători de

amortizori din oțel sunt: Sumitomo Metal Industries, Tomoe Corporation și Nippon Steel

Corporation. Printre avantajele acestui tip de amortizor se pot enumera: rezistență la curgere relativ

mare, curbă histeretică stabilă pentru un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare, pot fi

inspectați și înlocuiți foarte ușor în urma unui cutremur, fără probleme legate de îmbătrânirea

materialului, comportare similară la încărcări orizontale pe toate direcțiile orizontale, cost redus,

caracteristicile lui nu depind de fecvență sau temperatură. Principalul dezavantaj al amortizorilor de

oțel ar fi rigiditatea inițială scăzută.

2.9. Amortizori cu fluid vâscos

Primele utilizări ale amortizorilor cu fluid vâscos au avut loc în industria militară înainte de anul

1890, în domeniul artileriei. După anul 1980 s-au dezvoltat tehnologii moderne în domeniul

construcţiei amortizorilor cu fluid vâscos. Acestea au apărut în industria militară, unde amortizorii

4

respectivi s-au utilizat în domeniile precum: lansatoare de proiectile nucleare, nave militare,

portavioane etc. Aceşti amortizori au pătruns în domeniul construcţiilor doar după anul 1990, odată

cu terminarea Războiului Rece, prin desecretizarea unor documente cu caracter militar. Datorită

performanţelor ridicate, aceşti amortizori au fost implementaţi în domeniul construcţiilor, constituind

una dintre cele mai moderne metode de protecţie seismică [9], [17].

Principalul avantaj al amortizorilor cu fluid vâscos este acela, că fiind dispozitive dependente

de viteză, reduc simultan atât tensiunile, cât şi deformaţiile din structura supusă mişcării seismice

deoarece viteza este defazată față de deplasare cu π/2.

Alte avantaje ale amortizorilor cu fluid vâscos sunt: curbă histeretică stabilă, capacitate de a realiza

deplasări mari şi forţe de amortizare ridicate, nu introduc rigiditate la frecvenţe joase, amortizează

şocurile din structură, nu sunt influenţaţi de variaţia temperaturii, posibilităţi facile de procurare

(datorită existenţei mai multor producători), posibilităţi de realizare într-o gamă largă de

tipodimensiuni [9].

Principalele dezavantaje sunt: preţul ridicat, necesitatea existenței unei forțe de revenire şi realizării

unor deplasări mari pentru o funcţionare eficientă.

3. Calculul dispozitivelor de control pasiv

În teză sunt arătate relațiile de calcul pentru dispozitivele folosite la izolarea seismică. Sunt

prezentate curbele histeretice și relațiile de determinare a modelului histeretic, utile pentru modelarea

dispozitivelor în diferitele programe de calcul.

4. Metode de analiză a structurilor izolate la acțiunea seismică

Capitolul prezintă metodele de analiza folosite în calculul structurilor izolate seismic. Pentru

analiza statică liniară sunt prezentate prevederi comparative din codurile de proiectare. Sunt descrise

analizele dinamice liniare și se prezintă cele mai folosite metode de integrare numerică a ecuațiilor

diferențiale de mișcare. Analiza statică neliniară este descrisă abordând fiecare metodă de analiză și

precizând progresele realizate în acest domeniu. În cadrul analizei dinamice neliniare sunt arătate

modelele de comportare inelastică a elementelor structurale și modelarea amortizării elastice.

4.1. Studiu de caz. Izolarea seismică a unei construcții monument istoric

Subcapitolul prezintă proiectul de izolare a bazei pentru construcția “Salon de dans Dumitru

Nicolae”, realizat în cadrul firmei S.C. PROESCOM S.R.L.,la care autorul tezei de doctorat a făcut

parte din echipa de proiectare. Proiectul de arhitectură a fost realizat de firma S.C. 3adPUNCT

S.R.L., iar șeful de proiect a fost arhitectul Petru Mortu. Construcția este înscrisă în lista

monumentelor istorice, publicată în Monitorul Oficial la României nr. 670 bis din 1 octombrie 2010,

5

având indicativul PH-II-m-B-16310. Denumirea înscrisă în listă este „Salonul de dans Dumitru

Nicolae”.

Fig. 4.1 – Vedere de ansamblu a construcției “Salon de dans Dumitru Nicolae”

Expertiza tehnică a stabilit că sistemul structural prezintă deficiențe datorită secțiunilor mici

ale elementelor structurale, calității slabe a materialelor, stării de degradare a clădirii accentuată de

lipsa de întreținere din ultimii ani, precum și de sistemul rudimentar de fundație și încadrează

construcția în clasa de risc seismic RSII.

Soluția de intervenție a fost elaborată în conformitate cu tema de proiectare elaborată de către

beneficiar – Muzeul Naţional al Satului „Dimitrie Gusti” – și principiile Simpozionului IABSE,

Venetia 1983 « Strengthening of Building Structures – Diagnosis and Therapy », preluate și în

ISO/DIS 2394 « General Principles on Reliability for Structures », International Organisation for

Standardisation, 1996, și anume:

- Intervenții ne-invazive, cât mai discrete și ne-conservative;

- Intervenții compatibile cu materialele existente, care să altereze cât mai puțin proprietățile

chimice, fizice și mecanice ale materialelor și structurilor existente ;

- Intervenții bazate pe tehnologii moderne care să permită în viitor adoptarea de soluții mai

eficiente.

În aceste condiții, soluția de intervenție aleasă este izolarea seismică a Salonului de Dans.

În fig. 4.2 este prezentată evoluția în timp a deplasărilor la nivelul sistemului de izolare, pentru

acțiunea seismică din 4 martie 1977.

Întrucât au fost folosite numai trei accelerograme, deplasarea de proiectare este deplasarea

maximă rezultată din acțiunea seismică de la 4 martie 1977. Astfel, deplasarea maximă a rezultat

pentru direcția x a construcției cu valoarea 37.1cm, fiind mai mare decât valoarea rezultată în urma

calculului de predimensionare.

Reducerea eforturilor în elementele structurale este de aproximativ 3.2 ori pentru ambele direcții

principale de acțiune seismică, putându-se considera creșterea valorilor gradului de asigurare până în

jurul valorii de 0.85 pe ambele direcții.

6

Fig. 4.2. – Deplasarea sistemului de izolare la acțiunea cutremurului din 4 martie 1977

Fig. 4.3. – Secțiune prin sistemul de izolare

5. Studiul sistemelor hibride de izolare seismică a bazei

Studiul realizează o comparație între diferitele sisteme de izolare seismică a bazei, pentru o

construcție din beton armat solicitată la acțiuni seismice de tip vrâncean. Principalul obiectiv al

studiului îl reprezintă comparația - în termeni de deplasări (ale sistemului de izolare și ale structurii),

forțe tăietoare de bază, energie disipată și accelerații – între diferitele sisteme hibride de izolare

seismică a bazei.

5.1. Descrierea structurii analizate

Structura analizată este o structură

duală, cu pereți și cadre de beton armat,

considerând amplasamentul în municipiul

București. Regimul de înălțime este P+8E,

cu înălțimea fiecărui etaj de 2.8m. Structura

are trei deschideri – deschiderea centrală are

3m iar deschiderile marginale 7m - și patru

travei, având lungimi de 8m.

Fig. 5.1. – Clădirea analizată

7

5.2. Acțiunea seismică

Acțiunea seismică este descrisă prin patru seturi de accelerograme înregistrate și trei

accelerograme artificiale.

Întrucât au fost realizate analize dinamice neliniare spațiale, accelerogramele înregistrate au fost

folosite cu toate cele trei componente (două componente orizontale și o componentă verticală).

Componenta orizontală, cu accelerația maximă a terenului, a fost scalată, conform normativului

P100-1/2006 [12], la accelerația maximă a terenului de 0.24g, corespunzătoare accelerației terenului

de proiectare pentru București având IMR (Intervalul Mediu de Recurență) de 100 de ani. Celelalte

două componente (orizontală și verticală) fiind scalate cu acelaș factor de scalare, cu care a fost

scalată componenta orizontală cu accelerația maximă a terenului.

5.3. Analiza statică liniară

Analiza statică liniară a structurii s-a realizat cu ajutorul programului ETABS v9.2.0 [2],

considerând rigiditățile elementelor reduse la jumătate datorită fisurării betonului, conform codului de

proiectare seismică P100-1/2006 [12].

Forțele seismice orizontale fi, aplicate la fiecare nivel al structurilor analizate, s-au calculat cu

expresia (5.1) [7], [12]:

,

,e ef ef

i i a ef ef i

S Tf m S T m

q

(5.1)

Fig. 5.2. – Accelerația spectrală elastică.

unde: mi este masa de nivel; Sa(Tef,ξef) este accelerația de proiectare corespunzătoare perioadei

efective de vibrație Tef în modul fundamental al structurii izolate și amortizării efective ξef; Se(Tef,ξef)

este accelerația elastică corespunzătoare perioadei efective de vibrație Tef în modul fundamental al

structurii izolate și amortizării efective ξef; q este factor de comportare cu valoarea 1,5.

Armarea elementelor structurii analizate s-a realizat folosind oțel S355 (PC52) pentru

armăturile longitudinale și oțel S235 (OB37) pentru etrieri. Betonul folosit a fost de clasă C25/30.

Elementele structurale au fost proiectate ca elemente slab disipative, adoptând clasa de

ductilitate L. Potrivit recomandărilor din P100-1/2006 [12] și EN 1998-1:2004 [7], nu este necesară

satisfacerea condițiilor pentru proiectarea la capacitatea de rezistență și cele de ductilitate globală sau

locală.

8

5.4. Analiza dinamică neliniară

Analiza dinamică neliniară a structurii izolate s-a realizat cu ajutorul programului SAP2000

v15.1.0 [3], considerând toate elementele structurii și ale sistemelor de izolare, cu comportare

neliniară.

Acțiunea seismică a fost considerată simultan pe cele trei direcții ale construcției, prin aplicarea

componentelor orizontale si verticală, pentru mișcările seismice înregistrate și cu respectarea

prevederilor paragrafului 4.5.3.6.2.(4) din normativul P100-1/2006 [12], pentru mișcările seismice

artificiale.

Studiul a implicat analiza a zece sisteme hibride de izolare seismică a bazei, și anume:

Izolatori elastomerici cu amortizare mică, izolatori seismici rulanți, amortizori din plumb și

amortizori din oțel (IE+ISR+AP+AO);

Izolatori elastomerici cu miez de plumb și izolatori seismici rulanți (IEP+ISR);

Izolatori elastomerici cu miez de plumb, izolatori elastomerici cu amortizare mică și

amortizori cu fluid vâscos liniari (IEP+IE+AVL);

Izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori din oțel

(IEAM+ISR+AO);

Izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori elastomerici cu amortizare mică și

amortizori cu fluid vâscos liniari (IEAM+IE+AVL);

Izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori elastomerici cu amortizare mică și

amortizori cu fluid vâscos neliniari (IEAM+IE+AVN);

Izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori cu fluid

vâscos liniari (IEAM+ISR+AVL);

Izolatori tip pendul cu o suprafață de lunecare (IP1S);

Izolatori tip pendul cu două suprafețe de lunecare (IP2S);

Izolatori triplu-pendul (ITP).

5.4.1. Răspunsul în deplasări

În fig. 5.3 este prezentat răspunsul mediu în deplasări pe direcția x, considerând cele zece

sisteme hibride de izolare seismică. Se poate observa că deplasarea maximă, atât la nivelul sistemului

de izolare cât și la nivelul etajului 8, se realizează pentru structura izolată folosind sistemul hibrid

format din izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori din oțel

(IEAM+ISR+AO). Deplasarea minimă se realizeaza pentru structura izolată, folosind sistemul hibrid

format din izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori elastomerici cu amortizare mică și

amortizori vâscoși liniari (IEAM+IE+AVL). Diferența procentuală între cele două la nivelul

sistemului de izolare este de 15.9% iar la nivelul etajului 8 este de 16.4%.

9

În fig. 5.4 este prezentat răspunsul mediu în deplasări pe direcția y, considerând cele zece

sisteme hibride de izolare seismică. Deplasarea maximă, atât la nivelul sistemului de izolare cât și la

nivelul etajului 8, se realizează tot pentru structura izolată folosind sistemul hibrid format din

izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori din oțel

(IEAM+ISR+AO). Deplasarea minimă se realizează pentru structura izolată, folosind sistemul de

izolare format din izolatori tip pendul cu o suprafață de lunecare (IP1S). Diferența procentuală între

cele două, la nivelul sistemului de izolare este de 21% iar la nivelul etajului 8 este de 17.9%.

Fig. 5.3.- Răspunsul mediu în deplasări al structurii

izolate cu cele zece sisteme hibride de izolare seismică,

pe direcția x

Fig. 5.4.- Răspunsul mediu în deplasări al structurii

izolate cu cele zece sisteme hibride de izolare

seismică, pe direcția y

5.4.2. Răspunsul în accelerații

Deoarece în unele situații de proiectare se cere limitarea accelerațiilor în structură, pentru a

proteja anumite bunuri de valoare, s-au facut comparații și în termeni de accelerații absolute, atât la

nivelul sistemelor se izolare cât și la nivelul fiecărui etaj al structurii.

În fig. 5.5 este prezentat răspunsul mediu în accelerații pe direcția x, considerând cele zece

sisteme hibride de izolare seismică. Se poate observa că sunt înregistrate accelerații minime în cazul

sistemelor hibride formate din izolatori elastomerici cu miez de plumb, izolatori elastomerici cu

amortizare mică și amortizori cu fluid vâscos liniari (IEP+IE+AVL); izolatori elastomerici cu

amortizare mare, izolatori elastomerici cu amortizare mică și amortizori cu fluid vâscos liniari

(IEAM+IE+AVL) și izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori

cu fluid vâscos liniari (IEAM+ISR+AVL). Accelerația maximă este înregistrată pentru structura

izolată, folosind sistemul format din izolatori tip pendul cu o suprafață de lunecare (IP1S). Diferența

procentuală este de aproximativ 48.4% la nivelul sistemului de izolare iar la nivelul etajului 8 este de

42%.

În fig. 5.6 este prezentat răspunsul mediu în accelerații pe direcția y, considerând cele zece

sisteme hibride de izolare seismică. Sunt înregistrate accelerații minime în cazul sistemelor hibride

formate din izolatori elastomerici cu miez de plumb, izolatori elastomerici cu amortizare mică și

amortizori cu fluid vâscos liniari (IEP+IE+AVL); izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori

10

elastomerici cu amortizare mică și amortizori cu fluid vâscos liniari (IEAM+IE+AVL) și izolatori

elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și amortizori cu fluid vâscos liniari

(IEAM+ISR+AVL). Accelerația maximă este înregistrată pentru structura izolată, folosind sistemul

format din izolatori tip pendul cu o suprafață de lunecare (IP1S). Diferența procentuală este de

aproximativ 47.5% la nivelul sistemului de izolare iar la nivelul etajului 8 este de 35.1%.

Fig. 5.5.- Răspunsurile medii în accelerații absolute

ale structurii izolate cu cele zece sisteme hibride de

izolare seismică, pe direcția x

Fig. 5.6.- Răspunsurile medii în accelerații absolute

ale structurii izolate cu cele zece sisteme hibride de

izolare seismică, pe direcția y

Se poate considera că prin folosirea amortizorilor cu fluid vâscos liniari în sistemele de izolare,

sunt înregistrate reduceri semnificative ale accelerațiilor atât la nivelul sistemului de izolare cât și la

nivelul fiecărui etaj al structurii.

5.4.3. Forțe tăietoare de bază

Forța tăietoare de bază reprezintă un parametru esențial în caracterizarea răspunsului seismic

al structurilor și se utilizează la proiectarea acestora. În lucrare s-au determinat forțele tăietoare de

bază pentru fiecare acțiune seismică definită în subcapitolul 5.2, considerând cele zece sisteme

hibride de izolare seismică studiate.

Răspunsul mediu în forțe tăietoare de bază ale structurii izolate, folosind cele zece sisteme

hibride de izolare seismică este prezentat în fig. 5.7.

Fig. 5.7.- Răspunsul mediu în forțe tăietoare de bază ale

structurii izolate, folosind cele zece sisteme hibride de

izolare seismică

Forțele tăietoare de bază maxime, se obțin

pentru structura echipată cu sistemele hibride

de izolare care nu au în componență amortizori

cu fluid vâscos (sistemul hibrid format din

izolatori elastomerici cu amortizare mică,

izolatori seismici rulanți, amortizori din plumb

și amortizori din oțel; sistemul hibrid format

din izolatori elastomerici cu miez de plumb și

izolatori seismici rulanți

11

și sistemul hibrid format din izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori seismici rulanți și

amortizori din oțel). Forța tăietoare de bază minimă, se obține pentru structura echipată cu sistemul

hibrid de izolare format din izolatori elastomerici cu amortizare mare, izolatori elastomerici cu

amortizare mică și amortizori cu fluid vâscos liniari, pentru ambele direcții ale clădirii. Diferența

procentuală este de aproximativ 21% pe direcția x și 22% pe direcția y.

6. Utilizarea analizelor statice neliniare la structuri izolate seismic

6.1. Descrierea structurilor analizate

Studiul este realizat pe două structuri în

cadre de beton armat cu diferite regimuri de

înălțime: P+3E și P+14E.

Amplasamentul structurilor analizate a fost

considerat Municipiul București, datorită

perioadelor predominante lungi ale mișcărilor

seismice.

Analizele sunt realizate pe structuri plane.

Fig. 6.1 – Structura P+3E

Fig. 6.2 – Structura P+14E

6.2. Analiza neliniară a structurilor

Analizele statice și dinamice neliniare, s-au efectuat cu ajutorul programului de calcul

SeismoStruct v6.0 [14], realizat de compania SeismoSoft și disponibil gratuit pe internet în versiunea

trial. SeismoStruct este un program de element finit, capabil să analizeze structuri în cadre, plane sau

12

spațiale, sub încărcări statice sau dinamice, luând în considerare atât neliniaritatea geometrică cât și

inelasticitatea materialului [14].

Analizele statice neliniare au fost realizare considerând trei distribuții de forțe pe înălțimea

structurilor: o distribuție proporțională cu forma primului mod de vibrație, o distribuție liniară

(triunghi inversat) și o distribuție uniformă. Pentru structura cu P+14E, s-au realizat analize statice

neliniare atat pe direcția pozitivă a axei X cât și pe direcția negativă, datorită neregularității structurii.

S-au analizat atât efectele Cutremurului de Proiectare (CP), definit în normativul P100-1/2006

[12] cu IMR=100 de ani, cât și efectele Cutremurului Maxim Considerat (CMC) pe amplasament,

definit în normativul P100-3/2008 [13] cu IMR=975 de ani. În cazul CMC acțiunea seismică a fost

definită prin scalarea accelerogramelor, conform tabelului A.2 din normativul P100-3/2008 [13].

6.2.1. Studiu comparativ pe structura P+3E

În fig. 6.3 se prezintă deplasările relative ale structurii izolate, pentru fiecare tip de analiză

statică neliniară și deplasările medii rezultate în urma analizei dinamice neliniare, pentru cutremurul

de proiectare. În grafic au fost folosite următoarele abrevieri:

ASN-IL: analiza statică neliniară cu încărcări laterale distribuite liniar;

ASN-IM: analiza statică neliniară cu încărcări laterale distribuite după forma modului

fundamental de vibrație;

ASN-IU: analiza statică neliniară cu încărcări laterale distribuite uniform;

AND-M: analiza dinamică neliniară – valori medii.

Figura 6.4 prezintă forțele tăietoare de bază, pentru fiecare tip de analiză statică neliniară și

forța tăietoare de bază medie rezultată în urma analizei dinamice neliniare, pentru cutremurul de

proiectare. Cele trei analize statice neliniare furnizează aproximativ aceiași valoare a forței tăietoare

de bază, reprezentând 84% din forța tăietoare de bază medie rezultată în urma analizei dinamice

neliniare.

Fig. 6.3. – Deplasări relative ale structurii cu

P+3E, pentru nivelul de hazard corespunzător

cutremurului de proiectare.

Fig. 6.4. – Forțe tăietoare de bază ale structurii cu

P+3E, pentru nivelul de hazard corespunzător

cutremurului de proiectare.

13

Analiza dinamică neliniară furnizează deplasări medii mai mari decât analizele statice neliniare atât la

nivelul sistemului de izolare cât și la nivelul ultimului etaj. Pentru a putea avea un indicator corect al

nivelului de solicitare din structură, drifturile de etaj, rezultat în urma analizelor statice neliniare,

trebuiesc comparate cu drifturile de etaj rezultate în urma analizei dinamice neliniare.

Astfel, în tabelul 6.1 sunt prezentate deplasările

relative rezultate în urma analizelor statice

neliniare și deplasările relative rezultate în urma

analizei dinamice neliniare. Se poate aprecia ca

nivelul de solicitare din structură, rezultat în

urma analizelor statice neliniare, este superior

nivelului de solicitare rezultat în urma analizei

Tabelul 6.1 – Deplasări relative ale structurii cu

P+3E

Etaj

ASN-

IL

ASN-

IM

ASN-

IU

ADN-

M

[mm] [mm] [mm] [mm]

Izolatori 170.4 170.4 168.3 235.3

P 14.9 14.8 13.3 15.6

E1 13.9 13.5 11.1 12.4

E2 11.4 10.7 8.1 8.9

E3 7.3 6.5 4.8 5.4

dinamice neliniare; cu toate că deplasările de la nivelul sistemului de izolare, rezultate în urma

analizei dinamice neliniare, sunt mai mari .

6.2.2. Studiu comparativ pe structura P+14E

Comparația între metoda de analiză statică neliniară și analiza dinamică neliniară, pe structura cu

P+14E, a urmărit să studieze pretabilitatea procedeului de analiză statică neliniară propus, pentru

structuri izolate seismic, de înălțime mare, puternic neregulate în elevație.

În fig. 6.5 se prezintă deplasările relative ale structurii izolate, pentru fiecare tip de analiză statică

neliniară și deplasările medii rezultate în urma analizei dinamice neliniare, pentru cutremurul de

proiectare. În grafic au fost folosite următoarele abrevieri:

ASN_XP-IL pozitiv: analiza statică neliniară

pe direcția X-pozitiv, cu încărcări laterale

distribuite liniar;

ASN_XN-IL pozitiv: analiza statică neliniară

pe direcția X-negativ, cu încărcări laterale

distribuite liniar;

ASN_XP-IU pozitiv: analiza statică neliniară

pe direcția X-pozitiv, cu încărcări laterale

distribuite uniform;

ASN_XN-IU pozitiv: analiza statică

neliniară pe direcția X-negativ, cu încărcări

laterale distribuite uniform;

AND-M: analiza dinamică neliniară – valori

medii.

Fig. 6.5. – Deplasări relative ale structurii cu

P+14E, pentru nivelul de hazard corespunzător

cutremurului de proiectare.

Analiza dinamică neliniară furnizează deplasări medii mai mari decât analizele statice neliniare atât la

nivelul sistemului de izolare cât și la nivelul ultimului etaj. Pentru a putea avea un indicator corect al

14

nivelului de solicitare din structură, drifturile de etaj, rezultat în urma analizelor statice neliniare,

trebuiesc comparate cu drifturile de etaj rezultate în urma analizei dinamice neliniare. Astfel, în

tabelul 6.2 sunt prezentate deplasările relative de nivel, rezultate în urma analizelor statice neliniare și

deplasările relative de nivel, rezultate în urma analizei dinamice neliniare. Se poate aprecia ca analiza

statică neliniară nu furnizează rezultate satisfăcătoare pentru structuri izolate seismic, puternic

neregulate în elevație și cu regim mare de înălțime.

Tabelul 6.2 – Deplasări relative ale structurii P+14E

Etaj ASN_XP-IL ASN_XN-IL ASN_XP-IU ASN_XN-IU ADN-M

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm]

Izolatori 86.6 83.4 83.1 87.4 162.6

P 6.6 6.4 6.1 6.2 7.8

E1 9.3 9.0 8.4 8.4 10.2

E2 11.0 10.8 9.6 9.6 11.6

E3 12.6 12.6 10.5 10.7 12.3

E4 14.5 15.4 11.4 12.5 13.4

E5 15.7 17.3 11.9 13.1 13.9

E6 16.8 18.8 12.2 13.6 13.9

E7 18.2 20.3 12.7 14.1 15.0

E8 19.8 22.2 13.6 15.1 18.6

E9 22.8 24.4 15.6 16.7 25.2

E10 24.1 25.5 16.5 17.4 30.8

E11 23.7 25.0 16.1 16.8 33.3

E12 22.1 23.0 14.7 15.2 33.6

E13 18.9 19.3 12.7 12.8 30.5

E14 14.0 13.9 9.6 9.4 27.1

Figura 6.6 prezintă forțele tăietoare de bază, pentru fiecare tip de analiză statică neliniară și

forța tăietoare de bază medie rezultată în urma analizei dinamice neliniare, pentru cutremurul de

proiectare. Analizele statice neliniare prezintă aproximativ aceiași valoare a forței tăietoare de bază,

reprezentând 77% din forța tăietoare de bază medie rezultată în urma analizei dinamice neliniare.

Fig. 6.6. – Forțe tăietoare de bază ale structurii P+14E, pentru nivelul de hazard corespunzător

cutremurului de proiectare.

15

7. Concluzii și contribuții personale

7.1. Concluzii rezultate în urma studiului literaturii de specialitate

Izolarea seismică a bazei este folosită, în general, la construcții de importanță deosebită, cum

ar fi: spitale, stații de pompieri, sedii ale unor instituții de stat; construcții care în urma unui

cutremur de cod trebuie să rămână operative. De asemenea, izolarea seismică, este folosită ca

soluție de punere în siguranță la acțiuni seismice a construcțiilor monument istoric, deoarece

se reduce, sau este eliminată, necesitatea intervenției asupra construcției.

Între metodele “inovatoare” de control pasiv al construcțiilor, metoda izolării seismice a bazei

pare a fi cea mai eficientă.

Calculul structurilor izolate seismic folosind metoda modală cu spectru de răspuns, nu este

potrivit, întrucât reduce efectul modurilor superioare de vibrație. Calculul modal cu spectru

de răspuns, fiind un calcul elastic, izolatorii sunt modelați cu resoarte cu comportare liniară,

având rigiditatea efectivă corespunzătoare deplasării de proiectare. Amplitudinea

deplasărilor, la nivelul sistemului de izolare, corespunzătoare modurilor superioare de

vibrație, este mai mică decât cea corespunzătoare modului fundamental de vibrație. Astfel,

pentru deplasări mici, la nivelul sistemului de izolare, forțele tăietoare de bază, rezultate în

urma calculului modal cu spectru de răspuns, sunt mai mici decât cele rezultate în urma

folosirii unui model neliniar al izolatorilor (spre ex. modelul biliniar), întrucât se introduce în

calcul rigiditatea de la deplasarea respectivă.

În analiza statică liniară, pentru a surprinde contribuția modurilor superioare de vibrație la

răspunsul clădirii izolate, codurile FEMA și ASCE 7/10 prevăd o distribuție liniară a forței

tăietoare de bază, spre deosebire de codurile de proiectare seismică P100-1/2006 și EN 1998-

1:2004 care prevăd o distribuție uniformă a forței tăietoare de bază.

Poziția în plan a izolatorilor și a dispozitivelor de amortizare este aleasă, astfel încât distanța

între centrul de masă al suprastructurii și centrul de rigiditate al sistemului de izolare să fie

minimă.

Amortizorii cu fluid vâscos sunt dispozitivele cele mai eficiente pentru introducerea

amortizării în sistemele hibride de izolare, întrucât sunt dispozitive dependente de viteză și nu

influențează rigiditatea sistemului de izolare la deplasarea maximă.

Izolatorii cu amortizare mică sunt flexibili pentru toate nivelurile de deformație specifică de

forfecare și deci, nu asigură rezistență la acțiunea încărcărilor de serviciu. Astfel, ei sunt

folosiți în general împreună cu izolatorii cu miez de plumb, izolatorii cu amortizare mare și

amortizorii histeretici.

16

7.2. Concluzii rezultate în urma studiilor din teza de doctorat

Deplasările minime, atât la nivelul sistemului de izolare cât și la nivelul fiecărui etaj, sunt

înregistrate prin folosirea sistemelor de izolare hibride ce conțin amortizori cu fluid vâscos și

a sistemelor de izolare compuse din izolatori tip pendul cu frecare.

Deplasările maxime sunt înregistrate prin folosire sistemelor hibride de izolare ce conțin

amortizori histeretici.

Accelerațiile minime, atât la nivelul sistemului de izolare cât și la nivelul fiecărui etaj, sunt

înregistrate prin folosirea sistemelor de izolare hibride ce conțin amortizori cu fluid vâscos

liniari.

Accelerațiile maxime sunt înregistrate prin folosire sistemelor de izolare formate din izolatori

tip pendul cu frecare.

Forța tăietoare de bază minimă se obține prin folosirea sistemelor de izolare hibride ce conțin

amortizori cu fluid vâscos liniari, iar forța tăietoare de bază maximă se obține prin folosirea

sistemelor de izolare hibride ce conțin amortizori histeretici.

Pentru toate sistemele de izolare studiate, energia indusă de cutremur, este disipată

preponderent prin sistemul de izolare (cca. 80%).

Rezultatele cele mai bune ale analizelor, sunt date de sistemele de izolare hibride ce conțin

amortizori cu fluid vâscos liniari, deoarece aceștia asigură aceeași fracțiune din amortizarea

critică pentru orice valoare a amplitudinii deplasarilor laterale și nu introduc rigiditate în

sistemul de izolare. La amortizorii histeretici crește rigiditatea la deplasări mai mici decât

deplasarea de proiectare, reducându-se astfel perioada de vibrație a structurii izolate. Prin

reducerea perioadei de vibrație cresc accelerațiile spectrale, mărind nivelul de solicitare.

Pentru deplasări mai mari decât deplasarea de proiectare, amortizorii histeretici introduc mai

puțina amortizare în sistem, crescând astfel accelerațiile spectrale.

Pentru structura cu P+3E, deplasările relative de nivel, rezultate în urma procedeului de

analiză statică neliniară propus, sunt mai mari decât deplasările relative de nivel medii,

rezultate în urma analizelor dinamice neliniare. Această structură îndeplinește condiția ca

raportul între perioada de vibrație a structurii izolate și perioada de vibrație a aceleiași

structuri, dar cu baza fixă, să fie mai mare decât trei.

Deplasările sistemului de izolare, rezultate în urma procedeului de analiză statică neliniară,

sunt mai mici decât deplasările medii rezultate în urma analizelor dinamice neliniare, atât

pentru structura cu P+3E cât și pentru structura cu P+14E.

Pentru structura cu P+14E, deplasările relative de nivel, rezultate în urma procedeului de

analiză statică neliniară propus, sunt mai mici decât deplasările relative de nivel medii,

rezultate în urma analizelor dinamice neliniare. Această structură nu îndeplinește condiția ca

raportul între perioada de vibrație a structurii izolate și perioada de vibrație a aceleiași

structuri, dar cu baza fixă, să fie mai mare decât trei.

17

Efectele cutremurului maxim considerat pe amplasament asupra structurii cu P+3E indică

colapsul acesteia la trei acțiuni seismice din șapte. Pentru structura cu P+14E este înregistrat

colapsul la o acțiune seismică din șapte. Este de subliniat faptul că stâlpii celor două structuri

au fost armați din condiții constructive, eforturile de proiectare fiind mici. Cu toate acestea a

fost înregistrat colapsul structurilor la acțiunea seismică corespunzătoare cutremurului maxim

considerat pe amplasament. Astfel, se impune necesitatea verificării structurii izolate (nu

numai a sistemului de izolare) la acțiunea cutremurului maxim considerat pe amplasament.

7.3. Contribuții proprii

Identificarea principalelor dispozitive folosite la izolarea seismică a construcțiilor, cu

prezentarea modului de alcătuire, comportării sub încărcări, avantajelor și dezavantajelor.

Prezentarea curbelor histeretice ce stau la baza modelării dispozitivelor folosite la izolarea

seismică a structurilor, în diferitele programe de calcul. Fiecare parametru al curbelor

histeretice este descris și sunt prezentate relațiile de calcul.

Prezentarea metodelor de analiză, pentru structurile izolare seismic, cu prevederi comparative

din codurile de proiectare.

Participarea la realizarea unui proiect de izolare sismică a bazei pentru o construcție

monument istoric.

Realizarea unor comparații între zece sisteme de izolare seismică și indicarea sistemelor care

furnizează reducerea cea mai importantă a răspunsului structurii.

Propunerea unui procedeu de calcul a structurilor izolate seismic, prin analiză statică neliniră.

Verificarea procedeului de analiză statică neliniară propus, prin analize dinamice neliniare,

atât pentru structuri regulate, de mică înălțime, cât și pentru structuri neregulate de înălțime

mare.

Evaluarea efectelor cutremurului maxim considerat pe amplasament asupra structurilor

izolate, la acțiuni seismice din sursa Vrancea.

7.4. Direcții viitoare de cercetare

Realizarea unor analize dinamice neliniare pe structuri izolate seismic, folosind sisteme

hibride de izolare ce conțin amortizori cu fluid vâscos neliniari, pentru diferite valori ale

exponentului vitezei.

Verificarea procedeului de analiză statică neliniară propus, prin analiză spațială, atât pentru

structuri în cadre cât și pentru structuri ce conțin pereți de beton armat.

Evaluarea efectelor cutremurului maxim considerat pe amplasament, prin analiză spațială,

atât pentru structuri în cadre cât și pentru structuri ce conțin pereți de beton armat.

18

Bibliografie selectivă:

[1] Cheng, F., Jiang, H., Lou, K., Smart Structures. Innovative Systems for Seismic Response Control,

Ed. Taylor and Francis Group, Boca Raton, London, New York, 2008.

[2] Computers and Structures Inc., Etabs v9.2.0, 2007.

[3] Computers and Structures Inc., SAP2000 v15.1.0, 2011.

[4] Cross Linear Bearing, http://www.adc21.com/~e/201_korogari.html, 06.01.2012.

[5] Dănilă, G., Ealangi, I., Bică, A.G., Comparative Study on Provisions Regarding the Base Isolation

and the Seismic Energy Dissipation in three Building Codes, Mathematical Modelling in Civil

Engineering, Volume 8, No. 4, December 2012.

[6] Ealangi, I., Earthquake Protection of Buildings by Seismic Isolation. Devices and Concepts,

http://yrc.utcb.ro/2010/p/YRC_2010_SFEE_Ionut_Ealangi.pdf, 05.01.2012.

[7] EN 1998-1:2004, Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance – Part 1: General

Rules, Seismic Actions and Rules for Buildings, European Standard, Brussels, 2004.

[8] Lungu, D., Vacareanu, R., Aldea, A., Arion, C., Advanced Structural Analysis, Conspress,

Bucuresti, 2000.

[9] Mociran, H. A., Contribuții privind evaluarea performanțelor seismice ale structurilor echipate

cu amortizori cu fluid vâscos, Teză de doctorat, Cluj-Napoca, 2010.

[10] Naeim, F., Kelly, J. M., Design of Seismic Isolated Structures. From Theory to Practice, Ed.

John Wiley & Sons, New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997.

[11] Nakashima, M., Pan, P., Zamfirescu, D., Weitzmann, R., Post-Kobe Approach for Design and

Construction of Base-Isolation Buildings, Journal of Japan Association for Earthquake

Engineering, Tokio, 2004.

[12] P100-1/2006, Cod de proiectare seismică P100. Partea I. Prevederi de proiectare pentru cladiri,

2006.

[13] P100-3/2008, Cod de proiectare seismică P100. Partea III. Cod de evaluare şi proiectare a

lucrărilor de consolidare la clădiri existente vulnerabile seismic. Vol. 2 –Consolidare, 2008.

[14] SeismoSoft, “SeismoStruct - A Computer Program for Static and Dynamic Nonlinear Analysis of

Frame Structures” (URL: www.seismosoft.com);

[15] Sliding Support with Laminated Rubber Pad, http://www.adc21.com/~e/203_suberi.html,

06.01.2012.

[16] Takayama, M., Performace of Seismically Isolated Buildings due to 2011 Tohoku Earthquake,

https://www.atcouncil.org/files/ATC-15-13/Papers/09_TAKAYAMA

paper.pdf, 17.07.2013.

[17] Taylor, D. P., Buildings: Design for Damping, Taylor Devices Inc., North Tonawanda, New

York, 1999.