1

DISPOZITIVE MECANICE ŞI SOLUŢII TEHNICE PENTRU REDUCEREA RISCULUI SEISMIC AL CONSTRUCŢIILOR DIN ROMÂNIA (CONSIG)

ETAPA I. Conceperea şi proiectarea unui model funcţional DISCON, DAICON pentru construcţii

Cod: CE-112/2014-ST/SN-MT-01 Rezumatul etapei

În cadrul Etapei 1 a proiectului CONSIG s-a realizat o evaluare a caracteristicilor cutremurelor

lente Vrâncene care afectează cea mai mare parte a teritoriului României şi s-au stabilit condiţiile de încărcare şi deformare pentru DISCON, DAICON pentru a se putea realiza o protecţie avansată a construcţiilor afectate, inclusiv de cutremurele lente.

Cutremurele pot genera în construcţii accidente majore cu pierderi de vieţi omeneşti şi pierderi materiale importante, produse de acţiunea seismică directă şi indirectă (explozii, incendii, inundaţii etc.).

Suprasolicitările seismice ale construcţiilor sunt cauzate de amplificarea amplitudinii răspunsului seismic al acestora de câteva ori faţă de amplitudinea acţiunii seismice directe de la nivelul terenului.

Eliminarea acestui pericol se poate realiza prin soluţii inovative de reducere a amplitudinii răspunsului seismic al construcţiilor, fără apariţia degradărilor structurale controlate (articulaţii plastice), aşa cum prevede codul de proiectare seismică P100-1/2013, soluţie care dă rezultate bune pentru cutremurele de suprafaţă la care TC < 0.5s (cutremure rapide). Pentru cutremurele intermediare vrâncene cu TC = 0.7-1.6s, această soluţie poate să nu ducă la reducerea răspunsului seismic din cauza creşterii perioadelor proprii de vibraţii ale structurii degradate. Mai mult, din cauza deformaţiilor relative de nivel mari, articulaţiile plastice nu se pot forma în condiţii de siguranţă a structurii degradate. Din acest motiv se impune găsirea de alte soluţii de asigurare a construcţiilor la cutremure, diferite de cele prevăzute în P100-1/2013.

Un alt motiv pentru care se impune dezvoltarea de soluţii inovative pentru protejarea construcţiilor la cutremure este dat de efectele sociale şi economice post-cutremur. Este practic imposibil ca după un cutremur să se elibereze un număr foarte mare de clădiri pentru refacerea capacităţii de rezistenţă.

În cadrul acestei etape s-au stabilit cerinţele pentru realizarea de construcţii sigure prin izolare seismică care să poată fi aplicate cu rezultate bune, inclusiv la cutremurele lente Vrâncene.

În acest sens, în capitolul 1 al etapei s-a realizat o evaluare a condiţiilor de încărcare şi deformare pentru DISCON, DAICON la construcţiile afectate de cutremure rapide şi cutremure lente în care s-au stabilit cerinţele de rigiditate şi deformare a dispozitivelor în planul orizontal în aşa fel încât suprastructurile izolate seismic cu DISCON să asigure o deplasare a perioadelor proprii de vibrare a suprastructurii izolate, mult peste perioadele dominante din mişcarea seismică a cutremurelor Vrâncene, care sunt cuprinse între 0.7 – 1.6 sec.

Pentru dispozitivul DAICON, care are rolul de a limita deplasarea relativă dintre suprastructura izolată şi infrastructura încastrată în teren, s-au stabilit cerinţele de comportare neliniară a acestuia şi deplasările maxime admise.

În cadrul etapei 1 s-a realizat o prezentare a sistemelor actuale de izolare seismică a clădirilor care sunt aplicate cu succes la cutremurele rapide la care componenta dominantă a mişcării seismice are o perioadă de oscilare (TC) mai mică de 0.5 sec. Aceste dispozitive, deşi s-au aplicat cu rezultate bune la izolarea seismică a unui număr foarte mare de construcţii afectate de cutremurele de suprafaţă care, în general au o comportare de cutremur rapid, cu TC < 0.5 sec, nu pot fi aplicate pentru

2

construcţiile afectate de cutremurele lente Vrâncene decât cu condiţii limită şi fără a se putea realiza o izolare bună.

Dispozitivele concepute în cadrul proiectului pe baza unei licenţe protejată prin OSIM satisfac în totalitate cerinţele impuse unei bune izolări a construcţiilor afectate de cutremurele lente Vrâncene şi ele au o comportare foarte bună pentru cutremurele rapide, cum sunt cutremurele generate în zona Făgăraş, Dobrogea, Banat, Nordul Transilvaniei etc.

Dispozitivele DISCON sunt de tip elastic şi cu frecare de lunecare. Acestea sunt în aşa fel concepute încât efectul de îmbătrânire a părţii elastice şi de afectare a acesteia de unele incidente, ca de exemplu incendii, să fie eliminate sau reduse la maxim.

Dispozitivele au o rigiditate foarte mică în plan orizontal pentru o oscilaţie orizontală în jurul poziţiei de echilibru prestabilită, după care rigiditatea creşte neliniar la valori prestabilite pentru limitarea deformaţiilor laterale a dispozitivului.

Capacitatea de amortizare a dispozitivelor este relativ mare şi ea poate fi modificată în limite rezonabile, inclusiv după montarea dispozitivelor în construcţii.

Pentru acest dispozitiv, în cadrul etapei 1 s-a realizat şi un proiect tehnic. Pentru disiparea energiei seismice şi controlul neliniar al deformaţiilor relative de nivel, în

cadrul proiectului s-au conceput dispozitive mecanice telescopice de amortizare DAICON. Aceste dispozitive dezvoltă o forţă de amortizare prestabilită dependentă de deplasarea relativă cu o caracteristică de histerezis cu consolidare şi o forţă elastică neliniară. DAICON se montează în contravântuiri în panouri simetrice pe un nivel.

Pentru controlul deplasărilor relative dintre suprastructura izolată şi fundaţia încastrată în teren, între acestea se vor monta dispozitive mecanice telescopice cu cursă mare DAICON. Aceste dispozitive au o caracteristică „forţă – deformare” de histerezis de tip “papion” la care forţa de amortizare creşte proporţional cu deplasarea şi schimbă orientarea odată cu schimbarea semnului vitezei de deformare. DAICON sunt o măsură de asigurare suplimentară care limitează fără şoc deplasările relative dintre fundaţia şi suprastructura izolată şi favorizează revenirea la poziţia iniţială a suprastructurii izolate după terminarea cutremurului. 1. EVALUAREA CONDIŢIILOR DE ÎNCĂRCARE ŞI DEFORMARE PENTRU DISCON,

DAICON LA CONSTRUCŢIILE AFECTATE DE CUTREMURE RAPIDE ŞI CUTREMURE LENTE

1.1. Tipuri de cutremure şi soluţii de calificare seismică

Siguranţa construcţiilor poate fi afectată de suprasolicitările dinamice care pot să apară în structura acestora, date de acţiunea seismică. Aceste suprasolicitări se datorează răspunsului dinamic al structurilor la acţiunea seismică repetată. În funcţie de acordarea sau neacordarea perioadelor proprii de vibraţii ale acestora cu perioadele componentelor spectrale dominante ale mişcării seismice, amplitudinile răspunsului seismic pot să fie de 2 – 5 ori mai mari decât amplitudinea maximă a oscilaţiilor seismice ale terenului. Pentru sistemele şi echipamentele fie instalate, fie montate în construcţii, răspunsul seismic al acestora în acceleraţii poate să fie de 10 – 20 de ori mai mare decât acţiunea seismică de la suprafaţa solului. Aceasta se datorează faptului că în anumite situaţii poate să fie rezonanţă (sau cvasirezonanţă) între acţiunea seismică şi mişcarea proprie a clădirii cât şi între acţiunea seismică filtrată prin clădire cu sistemele şi echipamentele montate în clădire.

Trebuie avut în vedere faptul că mişcarea seismică produsă de cel mai activ focar din România, focarul intermediar Vrancea, generează cutremure cu componenţă spectrală diferită de cea a cutremurelor de suprafaţă generate de focarele crustale, care produc majoritatea cutremurelor în lume. Focarele intermediare Vrâncene generează cutremure “lente” la care perioada dominantă a oscilaţiilor terenului este cuprinsă între 0,7 – 1,6s [1] în timp ce cutremurele de suprafaţă generează cutremure “rapide” la care perioada dominantă a oscilaţiilor terenului este cuprinsă între 0,3 – 0,5s [2, 3]. Această

3

diferenţă nu permite aplicarea soluţiilor tradiţionale de izolare de la construcţiile afectate de cutremure rapide la construcţiile afectate de cutremure lente, fără măsuri speciale de mărire a perioadei proprii de vibrare a suprastructurii izolate, de regulă prin montarea de izolatori în serie, care afectează stabilitatea sistemului.

Amplificarea oscilaţiilor în timpul cutremurelor este cauzată de o rezonanţă parţială între acţiunea seismică şi construcţii [5]. Există situaţii în care aceste amplificări pot fi mai mici decât cele menţionate, însă prin soluţiile clasice de proiectare răspunsul seismic al construcţiilor nu poate fi redus sub nivelul acceleraţiei maxime a terenului. Soluţiile clasice de proiectare, conform prescripţiilor în vigoare în România - P100-1/2013, de acceptare a degradărilor controlate, pot duce la reducerea răspunsului seismic al clădirii degradate sub nivelul acceleraţiei seismice a terenului numai în cazul în care primele perioade proprii de vibraţii ale structurii cu degradări locale devin mai mari de 2.8s (mai mari decât 1,75TC - perioada dominantă din acţiunea seismică) [1], dacă structura este afectată de cutremurele generate de focarul intermediar Vrancea, cu TC = 1.6s. În cazul în care construcţia este afectată de cutremure de suprafaţă, cum sunt cele mai multe cutremure produse pe glob, cu o frecvenţă mare în Japonia, SUA, Turcia şi multe ţări din UE, reducerea răspunsului seismic al clădirii degradate sub nivelul acceleraţiei seismice a terenului, se realizează uşor la perioade de vibrare mult mai mici (de regulă, sub 0,6sec = 2TC) fără pierderea stabilităţii construcţiei întrucât TC are valori mici, de regulă, sub 0.3 sec.

Reducerea solicitărilor seismice în structurile unei construcţii la orice tip de cutremur („rapid” cum sunt cutremurele produse de focarele de suprafaţă sau „lent” cum sunt cutremurele generate de focare intermediare sau adâncime şi cutremurele de pe terenurile moi generate de orice tip de focar) se poate realiza fără degradări structurale [4], care diminuează capacitatea de rezistenţă a elementelor structurale, în cazul în care: - se izolează seismic construcţiile faţă de terenul de fundare – varianta I; - se măreşte capacitatea de amortizare cu ajutorul unor dispozitive mecanice instalate în

contravântuiri care controlează şi deplasarea relativă de nivel – varianta II. În cadrul proiectului se realizează cercetări numai pentru varianta I cu dezvoltarea de dispozitive speciale care să realizeze o izolare bună, inclusiv la cutremurele lente Vrâncene. Varianta I - Izolarea construcţiilor se poate realiza cu dispozitive speciale care permit preluarea încărcărilor permanente date de greutatea proprie a construcţiei şi care nu transmit integral acţiunea seismică de la terenul de fundare la construcţie, pentru orice direcţie în plan orizontal. Sistemele de izolare trebuie să permită mişcări relative de oscilare în planul orizontal cu perioade şi amplitudini dependente de tipul cutremurului „rapid” sau „lent” care afectează amplasamentul.

Izolarea seismică a construcţiilor trebuie realizată numai pentru mişcări seismice în plan orizontal deoarece: - structurile sunt concepute să preia încărcări verticale mari (greutatea proprie corespunde unei

acceleraţii de 1g); - intensitatea mişcării seismice pe direcţia verticală este cuprinsă între 0,5 – 0,75 din cea a mişcărilor

seismice în plan orizontal; - de regulă, răspunsul structurilor pe direcţie verticală nu amplifică mişcarea seismică de pe această

direcţie; - răspunsul seismic al structurilor pe direcţie orizontală amplifică mult mişcarea seismică orizontală.

Dacă s-ar realiza izolarea pe direcţie verticală încărcarea neuniformă a izolatorilor de pe margine şi în special a celor din colţuri, din greutatea proprie a clădirii, ar duce la deformări verticale neuniforme ale izolatorilor care dau eforturi mari în structura de rezistenţă (grinzi, planşee, pereţi, etc.) cu posibila afectare a siguranţei construcţiei, fără acţiunea seismică.

4

Sistemul hibrid de izolare seismică care va fi dezvoltat în cadrul proiectului are o capacitate mare de izolare pentru orice tip de clădire şi de mişcare seismică datorită faptului că are o flexibilitate mare în planul orizontal şi poate prelua încărcări verticale mari cu deformări prestabilite. Acceleraţiile seismice care afectează construcţiile izolate cu sistemul hibrid sunt sub 0,05g indiferent de violenţa cutremurului, ceea ce garantează că nu se poate degrada construcţia. Izolarea seismică a construcţiilor din zona afectată de cutremure lente cu perioade dominante de repetiţie a oscilaţiilor terenului mai mari de 0,7s, cum sunt şi cutremurele intermediare Vrâncene, nu poate fi asigurată de izolatorii clasici utilizaţi în prezent pentru izolarea construcţiilor afectate de cutremurele rapide cu perioada dominantă de repetiţie a oscilaţiilor terenului mai mică de 0,5s, cum sunt cutremurele generate de focarele de suprafaţă, care cuprind peste 95% din cutremurele produse pe glob.

Pentru controlul deplasărilor laterale ale suprastructurii izolate faţă de fundaţie se vor dezvolta dispozitive mecanice – amortizoare telescopice cu cursă mare DAICON la care diagrama forţă – deformare este de tip histerezis cu consolidare de tip “papion” ceea ce permite o limitare fără şoc a deplasărilor relative dintre fundaţie şi suprastructură. Amortizoarele telescopice vor fi utilizate ca o măsură suplimentară de mărire a marjei de siguranţă la suprasolicitări pentru sistemul de izolare care va fi dezvoltat în proiect.

În prezent, reducerea riscului seismic al construcţiilor existente este asigurat prin refacerea capacităţii de rezistenţă a elementelor şi/sau realizarea de elemente structurale noi care să preia încărcările seismice (de exemplu stâlpi, pereţi, etc). Aceste soluţii implică întreruperea activităţii în construcţie şi evacuarea acesteia pe o perioadă lungă de timp. Totodată soluţiile clasice implică afectarea parţială sau integrală a părţii arhitecturale şi generează probleme sociale mari legate de inexistenţa unor clădiri rezervă pentru adăpostirea temporară a locatarilor.

Reducerea riscului seismic al clădirilor prin soluţii inovative, care elimină în cea mai mare parte dezavantajele soluţiilor clasice, nu se poate aplica cu rezultate satisfăcătoare pentru construcţiile afectate de cutremurele intermediare Vrâncene datorită faptului că dispozitivele implicate în aceste soluţii sunt specifice cutremurelor rapide de suprafaţă.

Blocajul aplicării dispozitivelor existente de izolare şi disipare a energiei seismice este dat de faptul că acestea au fost concepute, realizate şi utilizate pentru clădiri afectate de cutremure de suprafaţă rapide. Încărcarea permanentă preluată de aceste dispozitive, rigiditatea în plan orizontal şi capacitatea de amortizare nu permit realizarea unei soluţii de izolare la care suprastrucutra să aibă perioade mari de vibrare astfel încât aceasta să nu intre în zona de amplificare (rezonanţă) cu cutremurele lente Vrâncene.

Dispozitivele de izolare seismică utilizate în prezent se pot împărţi în patru mari grupe:

A. Dispozitive elastice realizate din plăci de cauciuc de diferite forme, vulcanizate între plăci metalice de aceeaşi formă şi respectiv două plăci rigide care se fixează de fundaţie şi de suprastructura izolată. În funcţie de tipul de cauciuc şi de inserţia unor leduri de plumb în interiorul dispozitivelor acestea au o capacitate de amortizare mai mare sau mai mică. În fig 1.1.1 [6, 7] şi 1.1.2 [7, 8] sunt prezentate câteva tipuri de dispozitive, cu denumirile lor comerciale.

Dezavantajele acestor dispozitive sunt: - au deplasări laterale relativ mici pentru dimensiuni uzuale în plan orizontal; - prezintă pericol de distrugere prin forfecare şi răsturnare; - capacitate relativ mică de a prelua încărcări permanente; - deformarea elastică şi din tasări pe verticală depinde de încărcare şi de durată, ceea ce generează

deformaţii neuniforme în suprastructura izolată cu suprasolicitări în special în procesul etapizat de montare a dispozitivelor.

5

B. Dispozitivele cu frecare (fig 1.1.3.) [9, 12] sunt de două tipuri, cu frecare de lunecare sau de rostogolire între două corpuri legate rigid de fundaţie şi respectiv de suprastructura izolată. Frecarea se poate realiza pe o suprafaţă plană sau suprafaţă sferică. În unele cazuri frecarea se realizează numai pe o direcţie între o bară cilindrică şi bile.

Dezavantajele acestor dispozitive sunt: - nu au forţă de revenire la poziţia nedeformată, dacă suprafaţa de frecare este plană sau sub formă de

bară cilindrică; - prezintă pericol de blocaj dacă suprafeţele de frecare plane au abateri faţă de orizontalitate; - preiau încărcări permanente relativ mici pentru dimensiuni uzuale întrucât presiunea de contact

dintre piesele aflate în mişcare de lunecare trebuie să fie limitată la valori prestabilite pentru a nu se produce griparea lor;

- necesită prelucrări de mare fineţe a suprafeţelor de contact şi materiale speciale; - dispozitivele cu suprafaţa de frecare sferică sunt realizate din materiale cu o duritate mare, ca de

exemplu titan, pentru a putea prelua încărcări permanente mari, pe suprafeţe de contact relativ mici (acestea sunt foarte scumpe);

- dispozitivele cu suprafeţe de frecare plane trebuie montate obligatoriu în paralel cu dispozitive elastice pentru limitarea deplasărilor laterale şi revenirea la poziţia iniţială.

Atât dispozitivele elastice, cât şi dispozitivele cu frecare se montează în paralel cu dispozitive de amortizare, de regulă hidraulice, pentru limitarea deplasărilor laterale la valori prestabilite.

C. Dispozitivele hidraulice de amortizare utilizate în prezent au următoarele dezavantaje: - energia disipată depinde de viteza relativă, în timp ce siguranţa construcţiei este controlată prin

deplasări relative, deci cu aceste dispozitive nu putem avea un control bun asupra siguranţei construcţiei (fig. 1.1.4.) [10,11];

- forţa de amortizare este proporţională cu viteza de vibrare, ceea ce face ca la deplasări mari amortizările să fie mici şi cu eficienţă scazută în limitarea deplasărilor relative dintre infrastructura izolată şi fundaţie şi la deplasări mici amortizare mare ceea ce face ca de la fundaţie la suprastructura izolată să se transmită o cantitate mare de energie seismică prin forţele de amortizare;

- prezintă pericol de pierdere a capacităţii de amortizare prin pierderea uleiului pe la garnituri; - montarea lor la structură se realizează prin articulaţii pentru a nu se bloca funcţionarea acestora în

timpul mişcărilor seismice; - necesită prelucrări de mare precizie şi sunt scumpe.

D. Contravântuiri cu flambaj împiedicat – sunt realizate dintr-un oţel special cu capacitate mare de curgere şi pentru evitarea fenomenului de flambaj lama de oţel este inclusă într-o carcasă realizată dintr-o ţeavă pătrată de metal umplută cu beton. Numărul de cicluri în care este garantată funcţionarea acestor dispozitive este limitat. Există pericolul de pierdere a capacităţii de amortizare (fig. 1.1.5.) [13]. Dezavantajele dispozitivelor mecanice de amortizare (cu frecare sau flambaj împiedicat etc.) sunt: - permit un număr relativ mic de cicluri întrucât fie cedează materialul la cicluri repetate de întindere-

compresiune, fie se uzează materialele la suprafaţa de contact; - caracteristica forţă-deformare este practic constantă cu deplasarea relativă a punctelor de prindere,

ceea ce nu permite un control foarte bun al deplasărilor relative dintre fundaţie şi suprastructura izolată.

6

Fig. 1.1.1 LRB – izolator elastic

Fig. 1.1.2 HDRB – izolator elastic

Fig. 1.1.3 Izolatori cu frecare de lunecare

 

Fig. 1.1.4 Amortizor hidraulic Fig. 1.1.5 Contravântuiri cu flambaj

impiedicat Fig. 1.1.6 Dispozitive de

amortizare cu frecare 1.2. Evaluarea comportării construcţiilor pe tipuri de cutremure şi soluţiile de calificare

seismică Strategia de calificare seismică a construcţiilor este dependentă în primul rând de caracteristicile

cinematice ale mişcărilor seismice din amplasamentul construcţiei şi în al doilea rând de tipul construcţiei şi ea nu poate fi aceeaşi pentru toate amplasamentele din România aşa cum este în Codul de proiectare seismică P100. Având în vedere că în unele zone mişcarea seismică dominantă este dată de cutremurele intermediare Vrâncene, iar în altele de cutremurele de suprafaţă, soluţia de calificare seismică adoptată de majoritatea ţărilor afectate numai de cutremurele rapide de suprafaţă (acceptarea de articulaţii plastice în zone care să nu conducă la pierderea stabilităţii clădirii) nu poate fi aplicată ca regulă generală şi pentru cutremurele lente din următoarele motive [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]: - apariţia articulaţiilor plastice duce în primul rând la reduceri importante de rigiditate pentru

ansamblul clădirii cu mărirea perioadelor proprii de vibrare şi a deformaţiilor relative de nivel; - dacă perioadele proprii ale clădirii cu degradari locale (clădirea continuă să vibreze întrucât peste

98% din volumul clădirii rămân în domeniul linear de comportare) nu cresc încât să treacă peste zona de amplificare maximă ( CTT ⋅> 2 ) din spectrul de răspuns al terenului atunci degradarea duce, de regulă, la mărirea răspunsului seismic al clădirii şi nu la reducerea acestuia. Aceasta la rândul ei conduce la degradări suplimentare şi astfel la degradări în cascadă care pun în primejdie integritatea acesteia;

- la cutremure lente la care sec1>CT , acţiunea seismică transferă pe fiecare ciclu de oscilare energie clădirii care se acumulează sub formă de energie cinetică şi potenţială în sistemul oscilant format de clădire cu degradari locale ducând la mărirea amplitudinii vibraţiilor clădirii dacă clădirea prin degradare nu trece în regimul de izolare din punct de vedere dinamic;

- la cutremurele rapide la care sec5.0<CT , clădirea cu degradări locale mici iese din zona de amplificare maximă şi se reduce răspunsul seismic al clădirii în timp ce la cutremurele lente cu

sec1>CT cladirea, de regulă, nu poate ieşi din zona de amplificare prin degradări locale uşoare ceea ce duce la accentuarea procesului de degradare cu posibile distrugeri ale clădirii;

- mărirea fracţiunii amortizării critice a sistemului oscilant al clădirii, datorită degradărilor locale este mică. Fracţiunea amortizării critice este invers proporţională cu rigiditatea şi masa clădirii şi poate conduce la o reducere a răspunsului seismic, între 10-20%, întrucât aportul disipării energiei

7

seismice din degradările locale nu duce la o mărire importantă a fracţiunii amortizării critice a ansamblului clădirii, în timp ce Codul de proiectare seismică P100 permite o reducere de până la 6 ori a răspunsului seismic datorită creşterii capacităţii de disipare a energiei seismice prin degradări locale. Astfel, pentru cutremure lente, în multe cazuri degradarea locală duce la mărirea răspunsului seismic în loc de reducerea acestuia, datorită intrării clădirii în zona de amplificare seismică, concomitent cu scăderea rezistenţei acesteia.

Pentru stabilirea strategiei corecte de calificare seismică a unei construcţii se face o analiză comparativă a răspunsului seismic al clădirilor în cele 5 regimuri de comportare pentru cele două tipuri de cutremure. Cazul 1 (regim de transport)

O construcţie se află, din punct de vedere dinamic, în zona de transport dacă perioadele ei proprii de vibrare, luând în considerare şi interacţiunea teren – structură, se situează mult în partea stânga a amplificării maxime a spectrului de răspuns al terenului definit în perioade de vibrare. Din punct de vedere practic aceasta zonă se poate defini prin valoarea perioadei de vibrare 2BTT < .

În acest regim construcţia nu acumulează energie cinetică şi potenţială, construcţia este transportată de acţiunea seismică, iar energia acesteia este egală cu energia acţiunii seismice pe fiecare ciclu de oscilare. Pentru cutremurele lente, zona din spectrele de răspuns corespunzătoare regimului de transport este mare si clădirile până la 4 nivele, de regulă, se află în această zonă. Clădirile trebuie dimensionate să rămână în domeniul elastic de comportare fără degradări locale care ar duce clădirea degradată în zona de amplificare maximă a mişcării seismice. Cazul 2 (regim de pre-rezonanţă – zona de tranziţie transport - rezonanţă)

O construcţie se află din punct de vedere dinamic în zona de pre-rezonanţă dacă perioadele ei proprii de vibrare, luând în considerare şi interacţiunea teren – structură, se situează în vecinătatea părţii stângi a amplificării maxime a spectrului de răspuns al terenului definit în perioade de vibrare. Din punct de vedere practic, această zonă se poate defini prin valoarea perioadei de vibrare

22 BB TTT <≤ . Dacă clădirea se proiectează să nu se degradeze, sistemul oscilant clădire – teren de fundare are

o comportare semirigidă faţă de acţiunea seismică şi se acumulează o cantitate mică de energie cinetică şi potenţială în sistemul oscilant al construcţiei de la acţiunea seismică, iar mişcarea seismică a construcţiei, se amplifică puţin.

Dacă pentru cutremurele lente se admite degradarea, construcţia trece din punct de vedere al comportării dinamice în zona de amplificare maximă (rezonanţă) a spectrului de răspuns datorită creşterii perioadei proprii de vibrare şi, de regulă, clădirea cu degradări mici nu poate ieşi din această zonă pentru a se reduce răspunsul seismic.

În acest caz, o construcţie din amplasamente afectate de cutremure lente trebuie să se proiecteze în aşa fel încât să nu apară degradări care să ducă la apariţia de articulaţii plastice. În acest caz, încărcările seismice reale ale construcţiei sunt mai mici faţă de încărcările din prescripţiile de proiectare aşa cum rezultă şi din fig. 1.2.1 şi 1.2.3, întrucât Codul de proiectare seismică nu ia în considerare acest regim de comportare acoperindu-l cu regimul de rezonanţă. În Codul de proiectare seismică P100 valorile lui TB sunt mici faţă de cele reale pentru cutremurele lente. Această reducere a acceleraţiilor de proiectare are corespondenţă fizică în comportarea reală a construcţiilor întrucât acestea nu mai intră în regim de rezonanţă cu mişcarea seismică. În acest caz, practic construcţia preia numai mişcarea seismică de transport a terenului de fundare cu amplificări mici ale acesteia. Se recomandă mărirea capacităţii de amortizare prin includerea de dispozitive mecanice în structura de rezistenţă a clădirii.

Pentru cutremurele “rapide” zona de pre-rezonanţă este mică (perioade mai mici de 0.1 sec.) şi ea poate fi neglijată din punct de vedere practic.

8

Pentru cutremurele lente zona de pre-rezonanţă este de 3 – 5 ori mai mare decât la cutremure rapide şi majoritatea clădirilor de înălţime mică şi medie se încadrează în această zonă, dacă sunt fundate pe terenuri consolidate sau stâncă. Pentru clădirile situate în această zonă Codul de proiectare seismică P100, supraevaluează încărcarea seismică pentru cutremure lente [14, 18, 22].

Dacă clădirile situate în amplasamentele afectate de cutremure lente se proiectează să apară articulaţii plastice în zona de pre-rezonanţă, aceasta va duce la creşterea în regim de “avalanşă” a răspunsului seismic şi nu la reducerea acestuia. Aceasta se datorează faptului că degradarea clădirii implică micşorarea rigidităţii şi respectiv mărirea perioadei de vibrare care duce construcţia în zona de amplificare maximă şi la un transfer mai mare de energie de la mişcarea seismică la clădire.

În această situaţie se poate ajunge la o mărire necontrolată a deformaţiilor relative de nivel şi la o degradare avansată sau distrugerea construcţiei întrucât reducerea răspunsului dinamic, datorită măririi amortizării este mult mai mică decât creşterea acesteia datorită intrării clădirii în zona de amplificare maximă cu mişcarea seismică.

Se menţionează faptul că şi în cazul apariţiei degradărilor locale (articulaţiilor plastice) o clădire se comportă ca o structură elastică şi ea vibrează, întrucât un procent foarte mic, sub 1% din structura clădirii, trece în domeniul neliniar de comportare, iar cea mai mare parte din structura clădirii rămâne în domeniul elastic de comportare.

În fig. 1.2.2 şi 1.2.3 se prezintă schematic efectul degradării construcţiei asupra modificării răspunsului dinamic al construcţiei în cazul cutremurelor rapide şi respectiv lente pe spectre de răspuns normate cu o fracţiune a amortizării critice de 5% pentru construcţiile situate în zona de pre-rezonanţă.

Prin săgeata cu linie plină s-a prezentat poziţia construcţiei în stare nedegradată pe spectrul de răspuns, iar cu linie punctată şi respectiv întreruptă s-a prezentat poziţia construcţiei pe spectrul de răspuns în diferite stadii de degradare.

Din analiza diagramelor rezultă că pentru cutremure rapide apare o reducere de 2,5 ori, iar pentru cutremurele lente apare o creştere a încărcărilor seismice de circa 2 ori. Ţinând seama că datorită măririi coeficientului de amortizare poate să apară o reducere a răspunsului seismic de circa 20% rezultă că în final avem o amplificare de 1,6 ori la cutremure lente şi nu o reducere aşa cum se întâmplă la cutremure rapide.

Pentru cutremurele lente din România acceptarea degradării construcţiilor situate din punct de vedere dinamic în zona de pre-rezonanţă 2BTT ≤ (valoarea lui BT reală este mult mai mare decât cea dată în P100-2013) este foarte periculoasă întrucât acestea trec în zona de amplificare maximă şi ieşirea lor din această zonă se produce numai dacă perioada de vibrare a clădirii degradate devine mai mare decât ( )sec6.17.02 ÷⋅=CT funcţie de zona seismică în care este amplasată construcţia.

La cutremurele lente la care sec6.1=CT o ieşire din zona de amplificare maximă implică o mărire a deformaţiilor relative de nivel de circa 25 ori faţă de deformaţiile din domeniul elastic în timp ce la cutremurele rapide pentru ieşirea din zona de amplificare maximă trebuie să aibe loc o mărire a deplasării relative de nivel a construcţiei numai de maximum 4 ori, ceea ce pentru o construcţie obişnuită este usor de suportat avand în vedere practica actuală de proiectare şi proprietăţile materialelor de construcţii utilizate.

Pentru cutremurele lente degradările uşoare ale construcţiilor aflate în această zonă de pre-rezonanţă duc la măriri ale răspunsului seismic datorită efectului de avalanşă în sensul că, o mărire a degradării duce la o mărire a energiei transmise şi acumulată în sistemul oscilant format de construcţii cu o mărire în continuare a răspunsului seismic şi a degradărilor.

9

Fig. 1.2.1 Spectrele de răspuns într-un

amplasament afectat de cele două tipuri de cutremure cu o acceleraţia

maximă a terenului pentru cutremurele intermediare Vrâncene de 2.4m/s2

Fig. 1.2.2 Influenţa degradării pentru cutremure rapide.

Cazul 1: 2BTT ≤ . Răspunsul se reduce de peste 2 ori.

Fig. 1.2.3 Influenţa degradării pentru cutremure lente.

Cazul 1: 2BTT ≤ . Răspunsul se măreşte de 2 ori.

În cazul 2 de comportare dinamică se încadrează majoritatea construcţiilor semirigide fundate

pe terenuri consolidate. Aceste construcţii trebuie să fie proiectate la acceleraţii seismice mai mici decât cele din spectrul de proiectare aferent zonei din Codul de proiectare seismică P100 şi fără să apară articulaţii plastice, inclusiv la cutremure mari. Disiparea energiei seismice şi controlul comportării lor se poate asigura cu ajutorul unor dispozitive mecanice telescopice, inserate în structura de rezistenţă a clădirii prin contravânturi. Aceste dispozitive controlează deformaţiile relative de nivel la valori care să nu permită intrarea construcţiei în zona de amplificare maximă cu mişcarea seismică şi care să asigure reducerea acţiunii seismice prin asigurarea unei capacităţi mari de disipare a energiei seismice.

Trebuie avut în vedere faptul că la cutremure rapide degradarea controlată a construcţiilor duce la o reducere a răspunsului seismic mai mare decât reducerea capacităţii de rezistenţă a lor ceea ce permite acceptarea degradărilor locale ca soluţie de realizare a construcţiilor în zone afectate de cutremure rapide cu dezavantajul că după un cutremur major acestea trebuie consolidate.

Cazul 3 (regim de rezonanţă)

O construcţie se află, din punct de vedere al comportării dinamice, în zona de rezonanţă dacă perioadele proprii de vibrare importante se află în zona de amplificare maximă a mişcării seismice definită prin 22 ⋅<< CB TTT . În acest caz, transferul de energie de la acţiunea seismică la construcţie este maxim. Pentru a nu se produce o amplificare mare a răspunsului clădirii trebuie ca acesta să aibe capacitate mare de disipare a energiei seismice. Acesta este singurul mod de a limita energia acumulată în sistemul oscilant al clădirii de la mişcarea seismică şi de limitare a amplificării răspunsului seismic.

În acest caz, trebuie ca, inclusiv la cutremure puternice, în structură să nu apară articulaţii plastice în special la cutremurele lente dacă clădirea se situeaza în partea stângă a domeniului de rezonanţă din vecinătatea lui BT , întrucât articulaţiile plastice duc la micşorarea capacităţii de rezistenţă a structurii şi la micşorarea rigidităţii construcţiei, respectiv la creşterea perioadei proprii de vibrare fără ca din punct de vedere dinamic construcţia să poată părăsi zona de amplificare maximă.

Prin degradare, transferul de energie seismică de la terenul de fundare la construcţie nu se reduce, energia se acumulează în clădire şi deformaţiile relative de nivel nu se pot limita la valori la care se poate asigura siguranţa construcţiilor întrucât capacitatea de rezistenţă a structurii s-a redus prin degradare.

Construcţia, pentru a ieşi din zona de amplificare maximă, trebuie să accepte deformaţii relative de nivel foarte mari care, pentru cutremure lente trebuie să fie de cca. 10 ori mai mari decât la cutremurele rapide pentru a avea acelaşi efect benefic asupra transferului de energie seismică de la teren la construcţie.

10

În cazul cutremurelor rapide şi violente se pot realiza construcţii la care să apară articulaţii plastice întrucât acestea pot trece din zona de amplificare maximă în zona de izolare, datorita flexibilizării, fără să apară degradări mari ale elementelor structurale care să ducă la probleme de rezistenţă locale şi la pierderea stabilităţii construcţiei. În acest caz reducerea eforturilor secţionale în elementele structurii este mult mai mare decât reducerea capacităţii de rezistenţă a elementelor structurii prin degradări şi stabilitatea construcţiei este asigurată.

Apariţia de articulaţii plastice la o construcţie afectată de cutremure lente este benefică numai în cazul în care perioada proprie de vibrare T (evaluat cu luarea în considerare a interacţiunii teren-structură) este în vecinatatea lui CT sau mai mare decat CT cu condiţia ca deformaţiile relative de nivel care apar în timpul cutremurului să ducă la o flexibilizare a clădirii care să o scoată din zona de amplificare maximă şi să o treacă în zona de pre-izolare CTT ⋅> 2 . În acest caz, energia cinetică maximă acumulată de construcţie este mai mică decât energia maximă seismică pe un ciclu de vibrare.

Transferul de energie seismică de la terenul de fundare la construcţie se reduce şi energia disipată creşte odată cu dezvoltarea articulaţiilor plastice şi creşterea perioadei de vibrare.

Acceptarea articulaţiilor plastice pentru acest caz trebuie însoţită obligatoriu de un calcul de stabilitate prin analize pe accelerograme artificiale de proiectare care să ia în considerare toate caracteristicile spectrale ale cutremurelor posibile a se produce pe amplasament.

În fig. 1.2.4 şi 1.2.5 se prezintă schematic (pe spectre de răspuns normate specifice cutremurelor rapide şi lente pentru o fracţiune a amortizării critice de 5%) efectul degradării construcţiei asupra modificării încărcării convenţionale de calcul datorită creşterii perioadei proprii de vibrare a clădirii degradate de mişcarea seismică cu apariţia de articulaţii plastice. Marcarea poziţiei clădirii degradate pune în evidenţă reducerea sau menţinerea constantă a încărcărilor seismice convenţionale aplicate construcţiei odată cu degradarea construcţiilor. Reducerea răspunsului seismic din cauza creşterii fracţiunii amortizării critice este relativ mic.

Fig. 1.2.4 Influenţa degradării pentru cutremure rapide. Cazul 2: 22 ⋅<< CB TTT . Răspunsul real scade

de 3 ori.

Fig. 1.2.5 Influenţa degradării pentru cutremure lente. Cazul 2: 22 ⋅<< CB TTT . Răspunsul real scade

de 2 ori. Din analiza diagramelor rezultă că pentru cutremure rapide prin degradare rezultă o reducere a încărcărilor seismice de cel puţin 3 ori în timp ce pentru cutremure lente putem avea amplificări sau reduceri mici funcţie de tipul clădirii şi amploarea degradării. Cazul 4 (regim de post-rezonanţă) O construcţie se află din punct de vedere al comportării dinamice în zona de post-rezonanţă dacă perioadele proprii de vibrare importante sunt mai mari decât perioada de repetiţie dominantă din mişcarea seismică CTT ⋅> 2 , dar CTT ⋅< 2 . În acest caz o degradare uşoară, inclusiv pentru amplasamente afectate de cutremure lente, duce construcţia în zona de izolare când energia maximă

11

transmisă construcţiei este de câteva ori mai mică decât energia seismică maximă pe un ciclu de oscilare. Prin degradări mici construcţia se autolimitează întrucât o flexibilizare a ei conduce la reducerea transferului de energie de la acţiunea seismică la construcţie. Eforturile secţionale se reduc mult mai mult decât se reduce capacitatea de rezistenţă a construcţiei datorită degradărilor locale. În acest caz, se poate admite fără restricţii realizarea de construcţii la care sunt permise degradări controlate cu apariţia de articulaţii plastice inclusiv pentru cutremure lente întrucât degradarea are ca principal efect şi la cutremurele lente reducerea importantă a transferului de energie seismică de la terenul de fundare la construcţie. Degradarea duce la autoizolarea construcţiei datorită apariţiei articulaţiilor plastice fără să se ajungă la distrugerea construcţiei întrucât aceasta nu mai acumulează energie seismică care să ducă la apariţia unor depăşiri de eforturi sau deformaţii în elementele structurale. În acest caz, formalismul de calcul din Codul de proiectare seismică P100, poate fi acceptat pentru toate tipurile de cutremure. Procedeele tehnice de limitare a articulaţiilor plastice trebuie respectate pentru a se evita colapsul construcţiilor. De regulă, deformaţiile construcţiilor se autolimitează în acest caz datorită reducerii transferului de energie seismică de la terenul de fundare la construcţie înainte de apariţia unor deformaţii relative de nivel mare care pot să ducă la pierderea stabilităţii construcţiilor.

Fig. 1.2.6 Influenţa degradării pentru cutremure rapide.

Cazul 3: CTT ⋅> 2 Fig. 1.2.7 Influenţa degradării pentru cutremure lente.

Cazul 3: CTT ⋅> 2

Pentru construcţiile în cadre care se încadrează în cazul 4 de comportare se recomandă ca deformarea relativă de nivel să fie controlată cu contravântuiri ce conţin dispozitive telescopice cu rigiditate şi amortizare controlată care să nu permită apariţia de articulaţii plastice în aşa fel încât să nu mai fie necesară consolidarea construcţiei după un cutremur major. Cazul 5 (regim de izolare) O construcţie se află din punct de vedere dinamic în zona de izolare dacă perioadele ei proprii de vibrare, luând în considerare şi interacţiunea teren – structură, se situează mult în partea dreaptă a amplificării maxime a spectrului de răspuns al terenului definit în perioade de vibrare. Din punct de vedere practic, această zonă se poate defini prin valoarea perioadei de vibrare CTT 2> . În acest regim construcţia nu acumulează energie cinetică şi potenţială şi are mişcări lente care generează forţe mici de inerţie. Energia seismică totală transferată clădirii este mult mai mică decât energia seismică corespunzătoare unui ciclu de oscilare. În acest caz, dimensionarea construcţiei este dependentă de soluţia de realizare a ei pentru a avea perioadă proprie de vibrare mare.

12

În concluzie, din analiza celor 5 cazuri de comportare, se poate afirma că: 1. Pentru cutremurele rapide, acceptarea degradării controlate a construcţiilor este în general favorabilă

reducerii transferului de energie seismică de la terenul de fundare la construcţie cât şi neacumulării de energie cinetică şi potenţială, în primul rând datorită ieşirii construcţiei din zona de amplificare maximă a excitaţiei seismice şi în al doilea rând datorită creşterii amortizării construcţiei. Din analizele efectuate rezultă că prevederile Codului de proiectare seismică, (P100) [14] referitoare la acceptarea de degradări controlate pot fi o soluţie de realizare a construcţiilor rezistente la cutremure rapide dacă din punct de vedere economic este rezonabil ca după fiecare cutremur mare să intervenim pentru expertizarea şi consolidarea construcţiilor, dacă este cazul, cu toate dezavantajele economice şi sociale.

2. Pentru cutremurele lente, cum sunt şi cutremurele intermediare Vrâncene (sau cutremurele din amplasamentele cu terenuri moi) degradarea controlată a construcţiei, în general, duce la mărirea transferului de energie seismică de la terenul de fundare la clădire întrucât construcţia degradată rămâne sau intra în zona de amplificare maximă (rezonanţă) a excitaţiei seismice. Ieşirea din zona de amplificare maximă prin creşterea perioadei de vibrare peste perioada de repetiţie din mişcarea seismică este un caz rar, motiv pentru care articulaţiile plastice nu pot fi acceptate ca o soluţie pentru toate clădirile deşi această soluţie este cerută de Codul de proiectare seismică P100 [8].

1.3. Caracteristici cinematice ale cutremurelor Vrâncene

Datorită mecanismului de producere a cutremurelor intermediare Vrâncene cât şi distanţei mari de propagare a undelor seismice din focar până la suprafaţa terenului caracteristicile cinematice ale cutremurelor intermediare Vrâncene diferă foarte mult de caracteristicile cinematice ale cutremurelor de suprafaţă.

Această diferenţă se datorează faptului că la cutremurele intermediare Vrâncene focarul este situat la adâncime mare, estimată între 90 – 180km şi distanţa mare de propagare a undelor seismice cuprinsă între 90 - 250km atenuează undele spectrale de perioadă mică până la suprafaţa terenului. De asemenea, trebuie ţinut seama de faptul că structura componenţei spectrale la cutremurele de magnitudine mare în focarele intermediare are componente armonice de perioadă relativ mare. Pe de altă parte, o importanţă foarte mare în componenţa spectrală a mişcărilor seimice de la suprafaţa terenului o au grosimea şi consistenţa (rigiditatea) depozitelor de sedimente situate deasupra rocii de bază. Cu cât grosimea stratelor este mai mare şi consolidarea acestora mai redusă cu atât mai mult cresc perioadele proprii de vibrare ale stratelor de depozite aluvionare. Prin intrarea în rezonanţă a stratelor de depozite aluvionare cu acţiunea seismică apar amplificări importante a acceleraţiilor seismice pentru perioadele proprii de vibrare ale depozitelor aluvionare. Aceste trei efecte fac ca cutremurele intermediare Vrâncene înregistrate în diferite zone să aibă perioade dominante diferite de cutremurele de suprafaţă. O importanţă deosebită atât asupra perioadelor proprii de vibrare cât şi asupra acceleraţiilor seismice maxime de la suprafaţa terenului o are efectul de rezonanţă dintre mişcarea seismică şi depozitele aluvionare de la suprafaţa rocii de bază.

În fig. 1.3.1 – 1.3.3 sunt prezentate acceleraţiile maxime ale terenului pentru un interval mediu de revenire de 225 ani pe teritoriul României, perioadele de colţ ale spectrelor de răspuns care corespund cu perioada maximă de oscilare a mişcării seismice şi respectiv spectre normalizate de răspuns ale terenului în zonele caracterizate cu perioade de colţ Tc = 0,7s, 1,0s si 1,6 s. În tabelul 1.3.1 sunt date deplasările seimice maxime ale suprafeţei libere ale terenului determinate conform procedurii din EUROCODE 8 pentru o mare parte din localităţile României.

13

Fig. 1.3.1 România – Zonarea valorilor de vârf ale

acceleraţiei terenului pentru proiectare ag cu IMR=225 ani şi 20% probabilitate de depăşire în 50 de ani

Fig. 1.3.2 Zonarea teritoriului României în termeni de perioadă de control (colţ), TC a spectrului de răspuns

Fig. 1.3.3 Spectre normalizate de răspuns elastic ale acceleraţiilor absolute pentru componentele orizontale ale mişcării

terenului, în zonele caracterizate prin perioada de control (colţ) Tc =0,7s, 1,0s şi 1,6s

Tabelul 1.3.1 Deplasări seismice maxime ale suprafeţei libere ale terenului determinate conform procedurii din EUROCODE 8

IMR=225ani

Nr. Localitate Judeţ TC (s) Ag, [g] Dg, [mm] 2 ARAD ARAD 0.7 0.2 94.5 3 BACĂU BACĂU 0.7 0.35 165.4 4 BAIA MARE MARAMUREŞ 0.7 0.15 70.9 6 BOTOŞANI BOTOŞANI 0.7 0.2 94.5 8 BRAŞOV BRAŞOV 0.7 0.2 94.5 9 BRĂILA BRĂILA 1 0.3 202.5

10 BUCUREŞTI BUCUREŞTI 1.6 0.3 324.0 11 CĂLĂRAŞI CĂLĂRAŞI 1 0.25 168.8 12 Cernavodă CONSTANŢA 1 0.2 135.0 13 CLUJ-NAPOCA CLUJ 0.7 0.1 47.3 14 CONSTANŢA CONSTANŢA 0.7 0.2 94.5 15 CRAIOVA DOLJ 1 0.2 135.0 16 DEVA HUNEDOARA 0.7 0.1 47.3 18 FOCŞANI VRANCEA 1 0.4 270.0 19 GALAŢI GALAŢI 1 0.3 202.5 20 IAŞI IAŞI 0.7 0.25 118.1 24 PIATRA NEAMŢ NEAMŢ 0.7 0.25 118.1

14

25 PITEŞTI ARGEŞ 0.7 0.25 118.1 26 PLOIEŞTI PRAHOVA 1.6 0.35 378.0 27 RÂMNICU VÂLCEA VÂLCEA 0.7 0.25 118.1 31 SIBIU SIBIU 0.7 0.2 94.5 32 SLATINA OLT 1 0.2 135.0 33 SLOBOZIA IALOMIŢA 1 0.25 168.8 34 SUCEAVA SUCEAVA 0.7 0.2 94.5 35 TÂRGOVIŞTE DÂMBOVIŢA 1 0.3 202.5 38 TIMIŞOARA TIMIŞ 0.7 0.2 94.5 39 TULCEA TULCEA 0.7 0.2 94.5 40 VASLUI VASLUI 0.7 0.3 141.8

Dispozitivele DISCON şi DAICON sunt concepute în cadrul proiectului în aşa fel încât pe

lângă cerinţele de rezistenţă, izolare şi stabilitate să satisfacă integral inclusiv cerinţele cinematice specifice cutremurelor lente Vrâncene. 2. CONCEPEREA DISCON PENTRU CONSTRUCTII CARE SĂ SATISFACĂ ÎN

SPECIAL CERINŢELE IMPUSE DE CUTREMURELE LENTE VRÂNCENE

Actualele dispozitive de izolare seismică utilizate cu succes pentru izolarea seismică a construcţiilor afectate de cutremurele rapide nu pot asigura o izolare satisfăcătoare pentru construcţiile afectate de cutremurele lente din următoarele motive: a. Dispozitivele elastice realizate, de regulă, din strate de cauciuc şi oţel lipite între ele, au o rigiditate

mare în plan orizontal care face ca perioada proprie asupra structurii izolate să nu aibă valori cel puţin de două ori mai mari decât perioada dominantă din mişcarea seismică Tc. De asemenea, aceste dispozitive nu au o rigiditate suficient de mare pe direcţie verticală ceea ce face ca încărcările diferite pe care le dă suprastructura izolată pe dispozitivele de izolare să ducă la deformaţii ale dispozitivelor de izolare relativ mari, ceea ce va avea ca consecinţă introducerea de eforturi suplimentare în suprastructura izolată cu efecte negative asupra siguranţei construcţiei. La o construcţie uzuală, încărcările pe dispozitivele din zona centrală de pe margini şi din colţuri diferă raportul 1 - ½ - ¼ care va conduce la deformaţii pe verticală a dispozitivelor de izolare în acelaşi raport. Montarea unui număr diferit de dispozitive în zona centrală faţă de margini şi colţuri, de regulă, nu este posibilă din motive constructive şi necesită o investiţie mult mai mare. Dacă s-ar aplica această soluţie, prin creşterea numărului de dispozitive în zona centrală se reduce perioada proprie de vibrare asupra structurii izolate datorită creşterii rigidităţii pe orice direcţie din planul orizontal a ansamblului sistemului de izolare. În consecinţă, din motive tehnice, constructive şi de investiţii soluţia nu poate fi aplicată. Pentru aplicarea acestei soluţii cu limitarea eforturilor suplimentare care se introduc în infrastructura încastrată în teren şi suprastructura izolată se rigidizează foarte mult partea superioară a structurii încastrate în teren şi partea inferioară a suprastructurii izolate prin realizarea unor reţele de grinzi de dimensiuni mari care măresc costul investiţiei şi, de regulă, generează probleme constructive şi funcţionale. Capacitatea de amortizare a dispozitivelor elastice este mică, ceea ce nu permite un control bun al deplasărilor relative dintre suprastructura izolată şi infrastructură.

15

b. Dispozitivele cu frecare de lunecare (şi de rostogolire) de izolare, care sunt rigide pe verticală dar au rigiditate zero în plan orizontal nu pot fi utilizate fără alte sisteme ajutătoare pentru izolarea unei suprastructuri din următoarele motive: - suprastructura izolată numai cu asemenea sisteme nu are capacitate de revenire la poziţia iniţială

după un cutremur şi în timpul cutremurului deplasările relative dintre suprastructura izolată şi infrastructură au valori necontrolabile care pot duce la ciocniri cu structurile învecinate cu efecte de şoc care pot fi mai periculoase din punct de vedere al siguranţei structurilor decât solicitările seismice într-o soluţie clasică de realizare (fără izolare);

- capacitatea de amortizare a acestor dispozitive trebuie să fie mică pentru a se permite o mişcare relativă între suprastructura izolată şi infrastructură ceea ce nu permite un control al deplasărilor relative dintre suprastructura izolată şi infrastructură şi din acest motiv;

- pentru a se obţine o capacitate de revenire a suprastructurii izolate după un cutremur pe poziţia iniţială a dispozitivelor, dispozitivele cu frecare de lunecare se montează în paralel cu dispozitive elastice, ceea ce, din nou duce la diferenţe de deformare pe verticală prin faptul că unele dispozitive sunt rigide pe verticală iar altele sunt elastice.

c. pentru limitarea deplasărilor relative dintre infrastructura încastrată în teren şi suprastructura izolată

între acestea se montează dispozitive de amortizare. Până în prezent cele mai utilizate dispozitive sunt dispozitivele hidraulice Taylor. Aceste dispozitive au o forţă de frecare remanentă mare care, de regulă, blochează revenirea suprastructurii izolate pe poziţia iniţială. De regulă, pentru aducerea suprastructurii izolate pe poziţia iniţială se utilizează pompe hidraulice de mare capacitate care, conectate la dispozitivele Taylor sau altele, readuc suprastructura izolată pe poziţia iniţială cu ajutorul unor acţionări hidraulice post – cutremur. Realizarea acestei instalaţii măreşte investiţia şi ocupă un volum relativ mare din infrastructura clădirii.

d. Dispozitivele de izolare seismică dezvoltate până în prezent au un grad de fiabilitate relativ scăzut după cum urmează: - la dispozitivele elastice elementele de cauciuc sunt în multe cazuri suprasolicitate ceea ce duce la

o îmbătrânire rapidă a cauciucului şi a lipiturii strat de cauciuc – placă metalică; - la dispozitivele cu lunecare, suprafaţa de lunecare poate să fie afectată pe durata de viaţă a

centralei datorită faptului că sistemul ei de protecţie este slab; - atât dispozitivele de izolare cât şi dispozitivele hidraulice sunt afectate de variaţii mari de

temperatură şi în special de incendii. Noile dispozitive de izolare, care vor fi realizate în cadrul acestui proiect se dezvoltă pe baza

licenţei invenţiei cu titlul „Dispozitiv pentru protecţia la suprasolicitări a unei structuri” nr. OSIM A/00184/27.02.2013, elimină practic în totalitate toate dezavantajele dispozitivelor de izolare existente în prezent, după cum urmează: a. dispozitivul de izolare DISCON este un dispozitiv hibrid având parte elastică şi parte de lunecare

ceea ce permite utilizarea lui pentru izolare la orice structură şi orice poziţie, indiferent de încărcarea din greutatea proprie a suprastructurii ce revine dispozitivului;

b. dispozitivele DISCON asigură o forţă elastică de revenire pe poziţia nedeformată şi totodată o rigiditate mică în planul orizontal, ceea ce dă pentru suprastructura izolată o perioadă mare de vibrare ce asigură o bună izolare, inclusiv la cutremurele lente Vrâncene;

c. încărcarea pe partea elastică a dispozitivului şi pe partea de lunecare cât şi deformarea pe verticală a dispozitivelor DISCON este prestabilită prin concepţie şi proiectare la valori dorite ceea ce face ca aceste dispozitive să poată fi utilizate în orice poziţie (centrală, de margine şi de colţ) ele având aceeaşi deformare la încărcările diferite care se realizează funcţie de poziţiile de montaj.

16

d. partea elastică preia, de regulă, între 10 – 20% din încărcarea maximă a dispozitivului, restul fiind preluată de partea de lunecare ceea ce face ca efectele de îmbătrânire a elementelor de cauciuc care formează partea elastică să fie mult reduse.

e. suprafeţele de frecare care se realizează sunt plasate în interiorul dispozitivului (a părţii elastice) şi ele se realizează pe două suprafeţe paralele la care sistemul de paralelism este asigurat de sisteme elastice pentru a se evita efectul de blocaj prin împănare.

f. protecţia la incidente externe ca variaţii mari de temperatură, inclusiv incendiu, cât şi la distrugerea dispozitivului prin efecte de forfecare sau rupere prin încovoiere este asigurată de o fustă inferioară tip „creion” şi o fustă superioară. Spaţiile dintre dispozitiv şi cele două fuste sunt umplute cu material disipativ şi rezistent la variaţii mari de temperatură, inclusiv incendiu.

În fig. 2.1 şi 2.2 se prezintă o secţiune verticală şi o secţiune orizontală prin dispozitivul

DISCON conform licenţei protejate prin cererea de brevet de invenţie la OSIM.

Fig. 2.1 Secţiune verticală prin DISCON Fig. 2.2 Secţiune orizontală prin DISCON

3. CONCEPEREA DAICON PENTRU CONSTRUCŢII CARE SĂ SATISFACĂ ÎN SPECIAL CERINŢELE IMPUSE DE CUTREMURELE LENTE VRÂNCENE

Dispozitivele hidraulice de tip Taylor pentru limitarea şi amortizarea deplasărilor relative dintre

suprastructura izolată şi infrastructură au următoarele dezavantaje: - La oscilaţiile seismice ale suprastructurii izolate faţă de infrastructura încastrată în teren viteza este

maximă în vecinătatea poziţiei de echilibru ceea ce face ca în această zonă să existe o forţă foarte mare de interacţiune între cele două părţi care duce şi la un transfer important de energie seismică de la infrastructură la suprastructura izolată.

- Dispozitivele hidraulice au o forţă remanentă mare indiferent de poziţia relativă a pistonului în cilindrul hidraulic care face ca suprastructura izolată să nu poată reveni la poziţia iniţială după terminarea cutremurului întrucât aceste forţe, în multe cazuri sunt mai mari decât forţele elastice asigurate de dispozitivele de izolare.

- Dimensiunile dispozitivelor hidraulice sunt mari şi sunt cerinţe speciale de montaj, de regulă, articulaţii sferice care să asigure o coliniaritate între axele tijei pistonului şi tijei cilindrului hidraulic pentru a nu apărea efecte de blocare prin împănare.

- Dispozitivele au o fiabilitate relativ mică (există pericolul pierderii de ulei datorită variaţiilor de temperatură şi uzurii) şi ele pot fi afectate relativ uşor de condiţii externe.

- Dispozitivele sunt scumpe întrucât au dimensiuni mari şi necesită prelucrare cu superfinisare. Dispozitivele de limitare şi amortizare a deplasărilor relative dintre suprastructura izolată şi

infrastructura încastrată în teren DAICON, concepute în cadrul proiectului, elimină practic în totalitate toate dezavantajele dispozitivelor hidraulice, acestea putând asigura un control, o limitare şi o amortizare a deplasărilor relative dintre suprastructura izolată şi infrastructură, din următoarele motive:

17

- Dispozitivele DAICON au o caracteristică de amortizare de tip papion în coordonate deplasare – forţă ceea ce permite o deplasare relativă a infrastructurii faţă de suprastructură fără transmiterea unei cantităţi mari de energie seismică la suprastructura izolată.

- Forţa de amortizare dezvoltată de dispozitivul DAICON este de tip frecare de lunecare neliniar crescătoare. De la un anumit nivel de „deformare” a dispozitivului apare şi o forţă elastică care se suprapune peste forţa de amortizare. Raportul dintre cele două forţe este prestabilit în aşa fel încât limitarea deplasărilor relaticve dintre suprastructura izolată şi infrastructură să se facă la valori dorite, fără şoc şi fără a avea variaţii mari de acceleraţii la suprastructura izolată.

- Forţa de amortizare poate fi reglată inclusiv după montarea dispozitivelor fără a afecta funcţionarea lor.

- Dispozitivele sunt de tip mecanic fără pericol de blocaj, iar montarea lor nu necesită cerinţe speciale. - Dispozitivele DAICON practic nu au posibilităţi de defectare în cazul în care ele sunt dimensionate

în mod corespunzător şi nu sunt afectate de mediul exterior, inclusiv de incendii întrucât ele pot fi prevăzute la exterior cu spumă care asigură protecţia la foc.

În fig. 3.1 şi 3.2 se prezintă o secţiune verticală şi o secţiune înclinată prin axul dispozitivului

DAICON conform licenţei protejate prin cererea de brevet de invenţie la OSIM.

 

Fig. 3.1 Secţiune verticală prin DAICON Fig. 3.2 Secţiune orizontală prin axul dispozitivului DAICON

4. PROIECT TEHNIC DISCON PENTRU CONSTRUCŢII CARE SĂ SATISFACĂ CERINŢELE IMPUSE DE CUTREMURELE LENTE VRÂNCENE Pe baza licenţei şi a concepţiei de ansamblu a dispozitivului DISCON, în cadrul acestei etape s-

a realizat şi proiectul tehnic al modelului funcţional al dispozitivului. În realizarea proiectului tehnic s-a ţinut seama de satisfacerea cerinţelor ca acest dispozitiv să

fie eficient şi pentru izolarea clădirilor afectate de cutremurele lente cum sunt cutremurele intermediare Vrâncene.

De asemenea, având în vedere că pentru determinarea performanţelor modelului de dispozitiv acesta urmează a fi realizat fizic în aşa fel încât să se poată încerca experimental pe instalaţia de încercări experimentale de la SC DRAGOS CONSTRUCT GRUP SRL.

Având în vedere că dispozitivul este de noutate totală şi în alcătuirea lui intră componente noi care nu se realizează în producţia de serie a unor unităţi s-a luat legătura cu întreprinderi interesate pentru a vedea posibilitatea realizării de componente ale dispozitivelor DISCON cu tehnologia curentă. În acest sens s-au realizat modele de componente din materiale uşoare care au demonstrat posibilitatea realizării componentelor incluse în proiectul tehnic al dispozitivului.

În fig. 4.1 - 4.5 se prezintă subansamblurile principale ale modelului funcţional de dispozitiv DISCON pentru care se vor realiza cercetările în etapele următoare ale proiectului.

18

Fig. 4.1 Proiect tehnic model funcţional dispozitiv

DISCON – secţiune verticală Fig. 4.2 Proiect tehnic model funcţional dispozitiv DISCON –

secţiune orizontală

 

Fig. 4.3 Proiect tehnic model funcţional subansamblu elastic dispozitiv DISCON

– secţiune verticală

Fig. 4.4 Proiect tehnic model funcţional subansamblu de

lunecare dispozitiv DISCON – secţiune verticală

Fig. 4.5 Proiect tehnic model funcţional subansamblu de protecţie şi control al

deplasărilor laterale dispozitiv DISCON – secţiune verticală

REFERINŢE [1] Codul de proiectare seismica P100-1/2013 [2] EUROCODE 8 – Design of structures for earthquake resistance [3] A. Wada „New Japanese retrofitting technologies using base isolation and/or damping devices” [4] Proceedings of the „International Symposium on Seismic Risk Reduction”, 26-27 aprilie 2007

Bucuresti [5] Cyril M. Harris, Allan G. „Harris’ shock and vibration handbook”, Piersol 2002 [6] ***, FIP INDUSTRIALE S.p.A. Via Scapacchiò 41 – 35030, SELVAZZANO (PD) – ITALY,

Tel +39-049- 822-5511, Fax +39-049-638-567, fip-group.it-fip@fip-group.it; [web] http://www.fip-group.it/fip_ind_eng/prodotti/.../Scheda_tecnica_LRB.pdf

[7] ***, Robinson Seismic Ltd Experience Profile PO Box 33093, Petone, New Zealand, Phone: +64 4 569 7840, E-mail: info@rslnz.com, Website: www.rslnz.com;

[8] ***, EBT Systems Asia Pte Ltd, 7 International Business Park, #04-08 TechQuest, Singapore 609919, Tel: +65 6291 2618, Fax: +65 6291 2617, Email:

info@ebt-asia.com, [web] http://ebt-asia.com; [9] Calado L., Proença J.M., Panão A. Innovative materials and techniques for seismic protection.

s.1: PRONITECH, 2004. Vol. Earthquake Protection of Historical Buildings by Reversible Mixed Technologies. WP5_proj.no.INCO-CT-509119;

[10] Taylor D., Duflot P. Fluid Viscous Dampers Used For Seismic Energy Dissipation in Structures. s.1.: [web] http://www.taylordevices.eu/pdfs/seismic%20applications.pdf

19

[11] Taylor D., Mega Brace Seismic Dampers for the Torre Mazor project at Mexico City. s.1.:[web]http://www.taylordevices.eu/pdfs/Mega%20Brace%20Seismic%20Dampers-Taylor.pdf

[12] *** DAMPTECH Earthquake Protection. s.1.[web] http://www.damptech.com/pdf/DAMPTECHTech. PresentationJuly2006compressed.pdf [13] C. Ghindea, “Studiul unor metode de atenuare a actiunii seismice asupra constructiilor”, Teza

de doctorat, UTCB 2008 [14] Cod de proiectare seismica – “Partea I – Prevederi de proiectare pentru clădiri”, indicativ P100; [15] Harris C.M., Crede C. E., “Şocuri si vibratii” Vol. I – III, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1968; [16] I. A. Aizenberg, “ Construcţii cu structură autoadaptabilă la solicitări seismice”, Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1982; [17] Serban Viorel, Sireteanu Tudor, Androne Marian, Ciocan George Alexandru, Zamfir Angela

Madalina, Mitu Ana Maria, Postolache Liviu Dan, “Specificul Cutremurelor Intermediare Vrancene şi Proiectarea Seismica a Constructiilor” – AICPS - Simpozionul comemorativ “70 de ani de la cutremurul de pamant de la 10 noiembrie 1941. Implicatii asupra fondului construit existent”, Bucuresti, Romania, 10 noiembrie 2010;

[18] Serban Viorel, Tudor Sireteanu, Androne Marian, Ciocan George Alexandru, Zamfir Angela Madalina, Mitu Ana Maria “Diferente generate de cutremurele rapide si lente in raspunsul seismic al structurilor”, - A 12-a Conferinta Nationala De Constructii Metalice, Timisoara, Romania, 26 – 27 noiembrie 2010;

[19] Viorel Serban, Marian Androne, “Comentarii asupra prevederilor Normativului P100 si propuneri de imbunatatire. Consolidarea seismica a constructiilor din beton armat prin camasuiri metalice si utilizarea de contravantuiri telescopice”, Buletinul AICPS nr. 1-2/2005, pag. 117-165;

[20] Viorel Serban, Marian Androne, Tudor Sireteanu, „Aspecte cu privire la implementarea eurocodurilor pentru constructii” Poate fi aplicat in Romania EUROCODE 8: „DRAFT Nr. 6/2003“?, Buletinul AICPS nr. 2/2006, pag. 161 - 178;

[21] Viorel Şerban, Marian Androne, George Alexandru Ciocan, “Erori în datele de proiectare ce caracterizează acţiunea seismică“ - Simpozionul "Comportarea structurilor metalice la acţiuni extreme", 28-29 mai 2009, Timisoara;

[22] Viorel Şerban, Sireteanu Tudor, Androne Marian, Alexandru George Ciocan, Mădălina Zamfir, “Comentarii referitoare la modul de proiectare a construcţiilor afectate de cutremurele lente Vrâncene şi propuneri de îmbunătăţire a Codului de proiectare seismică P100/2006 ” – A XXI-a Conferinţă Naţională A.I.C.P.S., 26 mai 2011, Bucureşti.