View
25
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
Analiza Seismica Neliniara-Istoric&Principii
Citation preview
1. Apari ţia conceptului de < <Proiectare bazat ă pe performan ţă
> > în ingineria seismica
Cele mai moderne reglementări în inginerie seismica au arătat necesitatea de
a defini răspunsul unei structuri la o excitaţie seismica ca un nivel de performanţă
care are semnificaţia de stare limită ultimă de serviciu şi fiind utilizat pe scara largă
in Franţa şi în străinătate. Dar de o mai mare răspândire a cerinţelor de securitate în
societatea noastră pentru clădirile existente este necesitatea, printre altele, de a
defini nivelurile de performanţă, ceea ce permite pentru mai multe limbi a se
diferenţia în mod clar multitudinea de posibile răspunsuri ale unei structuri căreia îi
este atribuită o funcţie sau diferenţele posibile ale unei structuri, din punct de vedere
funcţional, la starea limită de serviciu şi starea limită ultimă.
Evoluţia definirii acestor stări ultime împreună cu definirea nivelului de
performanţă reflectă atât nevoia de ingineri care să identifice răspunsul global al unei
structuri la cutremur, cât şi pe de altă parte definirea gradelor de deteriorare
progresivă care se bazează pe utilizarea unor funcţii într-un anumit diagnostic
seismic.
FEMA 356, destinat reabilitării clădirilor existente in urma unui seism, de
exemplu, defineşte patru niveluri de performanţă corespunzătoare pentru deteriorări
de aşteptat, după un cutremur:
- operaţionale: funcţiile de clădire rămân operaţionale şi daunele sunt
nesemnificative
- imediate de ocupare: clădirea este încă locuibila, şi reparaţiile sunt minore.
- securitatea persoanei: structura rămâne stabilă, cu o marjă de siguranţă
confortabilă şi apar deteriorări nestructurale.
- nu se prabuşeşte: clădirea nu se prabuşeşte şi daunele sunt larg răspândite.
Aceste patru niveluri de performanţă pot fi defini analiza comportamentului
unei structuri: ele pot fi reprezentate printr-o curbă - curba <<push-over> sau curba
<push progresivve> ca în figura de mai jos:
Pentru a satisface cerinţele de securitate sus menţionate, aceste niveluri de
performanţă sunt puse în perspectivă, cu un nivel de risc, aşa cum este arătat pe
Figura de mai jos. Alegerea de nivel acceptabil de performanţă asociate cu un risc,
luând în considerare criterii politice, sociale şi economice, pot fi aplicate atât pentru
proiectarea unei clădiri noi cât şi pentru diagnosticul unei clădiri existente şi au stat
la baza întemeierii unei politici de prevenire seismică.
Acest concept de încărcare cu sarcini fundamentale a fost tradus mai departe
în evoluţiile recente ca metodă de calcul în ingineria seismică.
2. Dezvoltarea metodelor de calcul în ingineria seismi că.
Conceptele care stau la baza metodelor, în care astfel de performante sunt
definite în alineatul precedent, sunt luate în considerare la sfârşitul anului 1950,
dezvoltarea acestora fiind realizata la recomandarea Asociației Inginerilor Structuristi
din California in 1960. În Franţa, răspunsul lor va avea ca rezultat apariţia unor
reglementari - PS69. Aceste reglementări au în comun, definirea unui forţe laterale
reprezentând acţiunea seismică pe clădiri existente, ţinând cont de anumite
fenomene în post-elastic prin coeficienţii de răspuns sau utilizarea spectrelor reduse.
Mais trebuie să aştepte publicarea unui album al Asociaţiei de Ciment
Portland, în 1961, pentru a putea aplica conceptul de ductilitate în beton armat şi
analiza statică echivalentă prin metoda push-over.
Apoi, după cutremure majore cum au fost: cutremurul din Alaska din 1964,
cutremurul de la San Fernando în 1971, cutremurul din Mexic Mexic în 1985 şi
cutremurul de la Loma Prieta în 1989, au fost identificate problemele legate de
reglementările antiseismice.
Pentru a depăşi deficienţele din Regulamentul PS69, Asociaţia Franceză de
Inginerie Antiseismică (AFPS) a lansat, în 1990, noi recomandări care au fot incluse
în normele PS92. Aceste norme se referă la existenţa neliniarităţilor la clădirile
existente care sunt de tip inelastic sau forme geometrice neregulate. Recomandările
AFPS 90, plus completări, au reprezentat de asemenea necesitatea metodelor de
dimensionare a clădirilor pentru neliniarităţile geometrice sau mecanice. Incursiunea
în domeniul post-elastic este clar formulată de aceste noi reguli.
În SUA, National Science Foundation (NSF) şi Biroul Naţional de Coduri
(BNS), promovează de asemenea, dezvoltarea de noi norme de proiectare
antiseismica de la mijlocul anilor 1970. Rezultatul acestei dezvoltări este ATC3 care
a devenit baza codurilor moderne SUA folosite şi în prezent. In acest cod a fost
introdus pentru prima ora conceptul de analiză dinamică tranzitorie de răspuns
neliniar si tot aici apare si conceptul de considerare a nivelurilor de hazard seismic.
Mais işi incepe debutul abia in anii 1980, când comunitatea inginerilor îi acceptă în
mod clar conceptele si ideile sale, pe baza unui manual publicat in 1986, de către
departamentele armatei, marinei si aerului americane, Mais concentrându-şi atenţia
pe clădirile de importanţă cum ar fi spitalele şi structurile de urgenţă. Acest
document prezintă o proiectare seismică bazată pe două niveluri seismice, pe două
niveluri de performanţă ( bazate pe comportamentul elastic şi inelastic) şi două
metode de calcul neliniar (metoda bazată pe factori de comportament şi metoda
spectrului de capacitate).
Cea de-a doua metoda se va reflecta în documente recente ale ATC în 1996 (ATC
40) şi FEMA in 1997 (FEMA 273 şi 356), şi pune bazele a metodei în deplsări.
Abordarea in for ţe versus abordarea în deplas ări
Întrucat bazele teoretice mai vechi ale ingineriei seismice pentru construcţiile
antice nu aveau în vedere prevederi antiseismice, de-a lungul timpulul s-a
demonstrat necesitatea proiectării antiseismice in conformitate cu standardele
apărute si cu legile fizicii.
In ingineria seismică aceste legi au aproape întotdeauna considerată acţiunea
seismică aplicată ca o forţă de reacţie pe structură, ulterior, acţiunea seismică se
calculează prin aplicarea principiului fundamental al dinamicii. Aceste considerente
au la baza abordările tradiţionale în inginerie. Ca şi pentru alte acţiuni, cum ar fi
acţiunea orizontală a vântului, dimensionarea şi verificarea la acţiunea unui seism se
referă la echilibrul de forţe. Cu toate acestea, acţiunea seismică asupra unei structuri
se limitează în realitate la o deplasare impusă la baza structurii. Forţa seismică mai
sus menţionată este doar o consecinţă sau reacţie la această deplasare. Atâta timp
cât forţa şi deplasarea sunt legate printr-o relaţie liniară simplă, abordarea în forţe
este echivalentă abordării în deplasări. Această echivalenţă încadrează
comportarea materialului ca fiind mai mult elastică. În acest caz, abordarea in forţe
utilizează metode de calcul numerice complexe, capabile de a lua în considerare pas
cu pas, fiecare coeficient de reducere a eforturilor presupunând reprezentarea
printre altele a neliniarităţii de comportament, coeficienţi denumiţi frecvent în
normative – factori de comportament.
În cărţi de specialitate dimensionarea şi verificarea la acţiunea seismică au ca
scop direct controlarea deplasărilor structurii mai degrabă decât echilibrarea forţelor,
acţiunea seismică ar putea fi reprezentată ca o deplasare şi nu ca o simplă forţă sau
o simplă acceleraţie.
Răspunsul la acţiunea seismică este interpretat explicit pentru că furnizează
in mod direct un grafic prin deplasările sale.
În cele din urmă, cele mai sus menţionate ar tebui sa fie principalul motiv
corect a abordării in depasări in defavoarea abordării in forţe: tratamentul existent.
Reglementarea justificata a verificării unei structuri vechi la o evaluare seismică prin
metoda forţelor conduce aproape intotdeauna la consolidarea ei. Punerea în aplicare
a metodei în deplasari face posibilă explicitarea justa a intelegerii comportamentului
unei structuri dincolo de domeniu elastic în mod explicit apprehending de
comportament a structurii sale dincolo de elastic domeniu. Analiza acestui
comportament lasă deschisă posibilitatea de a alege lucrările de consolidare în
raport cu criteriile permise: care este principiul diagnosticării seismice.
3. Obiectivele metodei în deplas ări
Introducere în dialectul dimensionare / verificare
Metodele folosite pentru a atinge un nivel de performanţă, astfel cum sunt
definite în § 2.1 din acest document pot varia considerabil în funcţie de dimensionare
sau pentru a justifica un cutremur. De fapt, dimensionarea unei structuri se referă la
forma geometrică şi la dimensiunile elementelor de rezistenţă. Aceasta are scopul
de a defini un model robust rezistent pentru alegerea unei geometrii, aplicarea
normelor costructive si utilzarea coeficienţilor de siguranţă garantând marjele de
eroare cu privire la diferitele moduri de cedare la un anumit nivel de agresivitate.
Pentru verificarea unei structuri, necunoscutele de proiectare sunt stabilite
mai mult cercetând nivelul real de agresiune pe care il poate suporta structura,
utilizând metode capabile de a clarifica marjele dimensionării. Această diferenţe de
asemenea, există în aplicarea metodelor în deplasări după ce acestea sunt utilizate
pentru dimensionarea di diagnosticarea unei structuri. Cele de mai sus arată această
diferenţă fundamentală care constituia odata un element de categorisire asemanator
metodei in deplasari.
În continuare acest document se va concentra asupra utilizării metodelor in
deplasari in cadrul proiectarii antiseismice.
Principiul de aplicare al metodei în deplas ări într-un diagnostic seismic
În figura este prezentată o schema pentru o metodă in deplasări pentru clădiri
etajate propuse de LATC40 incluse în părţile 3, 4 şi 5 din acest document.
Definirea neliniaritatii
Spectru (nivel deverificare)
Calculul la forta progresiva
Spectrul curbei de capacitate
F d
1. Suprapunerea curbei de capacitate şi spectrului ξde calcul pentru o amortizare;2. Citirea deplasarii la punctul de intersecţie;3. Evaluarea amortizarii corespondente deplasarii ξ';4. Dacă ξ ≠ ξ' se revine la Pasul 1 pe spectru de calcul cu o amortizare ξ = ξ';5. Daca ξ ≈ ξ' deplasarea structurii corespunde punctului de intersectie sau punctului de functionare;6. Determinarea M, N, V, θ.
Structura se verifica
Structura trebuieconsolidata
STRUCTURA
Reg
lare
a niv
elu
lui d
e v
erifi
care
Ver
ifica
rea
sect
iuni
lor si
meca
nism
elo
r fragi
le
4. Metode de calcul structural
Metode de calcul structural pentru proiectare – car acteristici:
• Metoda fortelor laterale
STRUCTURA
Dereminareazonelor critice
Predimensionareasectiunilor critice
du
Calcularea capacitatii de rotatie φu
Calculul capacitatiide deplasare du=hφu
Calculul deplasariielastice dy
Calculul ductilitatiicapabile µu=du/dy
Estimarea amortizariiechivalente ξe=ξxµu
Introducerea amortizarii ξe in
spectrul de deplasari
Calculul fortei elastice Fy=Kefxdy
Evaluare frecventei fcorespunzatoare du
Calculul rigiditatiiechivalente Kef=m/(2πf)²
Ver
ifica
rea it
era
tiilo
r
– raspunsul structurii guvernat de modul fundamental de vibratie
– perioada proprie de vibratie fundamentala T=1.5 sec
– structura regulata pe verticala
– înaltimea mai mica de 30 m
• Metoda de calcul modal cu spectre de raspuns
– considera proprietatile dinamice ale structurii
– aplicabila structurilor complexe (neregulate)
– o aproximare buna a raspunsului "real" daca se considera un numar suficient
de moduri proprii de vibratie
– aproximari datorita combinarii raspunsurilor modale
– aproximari datorita combinarii efectelor componentelor actiunii seismice
Limitari:
– Actiunea dinamica
• Actiunea seismica - dinamica
• Rezultatele celor doua metode de calcul -înfasuratori
• Metoda de calcul modal cu spectre de raspuns: pierderea semnului datorita
combinarii raspunsurilor modale
– Raspunsul inelastic al structurilor
• Majoritatea structurilor au o comportare inelastica la actiunea seismica de
calcul
• Modelul de calcul - comportare elastica
• Ductilitatea structurii este considerata prin factorul q
Avantaje:
- Simplitate
- Calcul elastic -suprapunerea efectelor
- Eficienta de calcul
Metode alternative de calcul:
� Metoda de calcul dinamic liniar
� Metoda de calcul dinamic neliniar
� Metoda de calcul static neliniar
Metode de calcul dinamic (liniar si neliniar)
• Actiunea seismica - definita prin accelerograme
• Accelerogramele -reprezentative pentru miscarea seismica din
amplasamentul considerat
- magnitudine
- distanta sursa-receptor
- conditii locale
• Accelerograme:
- înregistrate
- artificiale
.
• Actiunea seismica -un grad ridicat de incertitudine .,raspunsul seismic trebuie
determinat pe baza mai multor accelerograme
- trei accelerograme: raspunsul maxim
- sapte accelerograme: raspunsul mediu
Calcul dinamic liniar
• Model elastic al structurii
• Raspunsul seismic este obtinut prin integrarea numerica directa a ecuatiei de
miscare
• Rezultate: variatia în timp a marimilor de raspuns
• Avantaje: reflecta cel mai fidel raspunsul real al structurii (daca e elastic)
• Dezavantaje:
- Calcul elastic
- Volum mare de rezultate
- Putere ridicata de calcul
Calcul dinamic neliniar
• Model inelastic al structurii
• Raspunsul seismic este obtinut prin integrarea numericadirecta a ecuatiei de
miscare
• Modelul de calcul al elementului structural trebuie sareflecte comportarea
inelastica la cicluri repetate
• Avantaje: modelul cel mai "exact" al raspunsului seismic al unei structuri
Calcul dinamic neliniar
• Elementele disipative: verificarea deformatiilor inelastice (ductilitatea)
• Elementele nedisipative: verificarea rezistentei
• Dezavantaje:
- laborios
- programe de calcul sofisticate
- modelarea comportarii inelastice a elementelor structurale
- prelucrarea unui volum mare de rezultate
• Utilizare:
- evaluarea performantei seismice a unor constructii noi de importanta
ridicata
- evaluarea performantei seismice a cladirilor existente
Calcul static neliniar ("push-over")
• Modelul structurii - inelastic (monoton)
• Multe structuri raspund preponderent într-un singur mod propriu de vibratie
modul fundamental
• Încarcarile gravitationale: constante
• Încarcarile seismice: variabile
• Principiul calcului static neliniar:
- aplicarea încarcarilor gravitationale
- aplicarea si cresterea progresiva a unei distributii de forte laterale
("actiunea seismica")
• Calculul static neliniar - "capacitatea" structurii
• Informatii legate de:
- mecanismul plastic al structurii
- redundanta structurii (factorii au/a1)
- ordinea aparitiei articulatiilor plastice
- nivelul eforturilor din elementele nedisipative corespunzatoare formarii
mecanismului plastic
5. Evolu ţia codurilor pentru proiectarea antiseismica in Rom ania
(1941-2006)
- 1941 Instruc ţiuni provizorii pentru prevenirea deteriorarii cons tructiilor
din cauza cutremurelor si pentru refacerea celor de gradate aprobate prin
Decizia nr. 84351 din 30 decembrie 1941, data de Ministerul Lucrarilor Publice
si Comunicatiilor (9 pagini).
- 1945 Instructiuni pentru prevenirea deteriorarii constru ctiilor din cauza
cutremurelor , aprobate prin Decizia nr.60173 din 19 mai 1945 a Ministerului
Comunicatiilor si Lucrarilor Publice pe baza avizului Consiliului Tehnic Superior
din Jurnalul nr.7/1945, publicate in Monitorul Oficial nr. 120 din 30 mai 1945 (10
pagini).
- 1958 STAS 2923-58 (neaprobat) Prescriptii generale de proiectare in
regiuni seismice. Sarcini seismice . Comisia de Standardizare R.P.R., 31
aug. 1958, Vol.1 - 132 pagini, Vol.2 - 97 pagini.
- 1963 Normativ conditionat pentru proiectarea constructii lor civile si
industriale din regiuni seismice P.13 - 63 , aprobat de Comitetul de Stat
pentru Constructii, Arhitectura si Sistematizare cu Ordinul nr. 306 din 18 iulie
1963 (39 pagini).
- 1970 Normativ pentru proiectarea constructiilor civile s i industriale din
regiuni seismice P.13 - 70 , aprobat prin Ordinul nr. 362/N din 31 decembrie
1970, Ministerul Constructiilor Industriale si Comitetul de Stat pentru Economia
si Administratia Locala (63 pagini).
- 1978 Normativ privind proiectarea antiseismica a constru ctiilor de
locuinte, social-culturale, agozootehnice si indust riale P.100 - 78 , aprobat
prin Ordinul nr.23/IX/ din 15 iunie 1978 al Guvernului si Consiliului de
coordonare a activitatii de investitii (57 pagini).
- 1981 Normativ privind proiectarea antiseismica a constru ctiilor de
locuinte, social-culturale, agozootehnice si indus triale P.100 - 81 , aprobat
prin Decizia nr.83 din 21 iulie 1981 a Biroului executiv al Consiliului stiintific al
Institutului de cercetare, proiectare si directivare in constructii (72 pagini).
- 1991 Normativ privind proiectarea antiseismica a constru ctiilor de
locuinte, social-culturale, agozootehnice si indust riale P.100 - 91 , aprobat
aprobat prin Ordinul nr.3/N din 1 aprilie 1991, Ministerul Lucrarilor Publice si
Amenajarii Teritoriului - DCLP (152 pagini).
- 1992 Normativ privind proiectarea antiseismica a constru ctiilor de
locuinte, social-culturale, agozootehnice si indust riale P.100 - 92 , aprobat
prin Ordinul nr.3/N din 14aprilie 1992, Ministerul Lucrarilor Publice si Amenajarii
Teritoriului (151 pagini).
- 1996 Completarea si modificarea capitolelor 11 si 12 di n Normativul
privind proiectarea antiseismica a constructiilor d e locuinte, social-
culturale, agozootehnice si industriale? P.100 - 92 , aprobate prin Ordinul
nr.71/N din 7 octombrie 1996, Ministerul Lucrarilor Publice si Amenajarii
Teritoriului (50 pagini).
- 2006 Cod de proiectare seismic 㠭 Partea I - Prevederi de proiectare pentru
clădiri", indicativ P 100-1/2006 , aprobate prin Ordinul nr.1711 din 19
septembrie 2006, Ministerul Transporturilor, Construcţiilor şi Turismului,
publicat in Monitorul Oficial Partea I si I bis nr. 803/25.09.2006 (398 pagini).
Recommended