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).