Dispozitive Speciale Pentru

DISPOZITIVE SPECIALE PENTRU REDUCEREA EFECTELOR ACTIUNII SEISMICE

Incercarea Constructiilor Curs 7 21.12.2011

-> potentiale evenimente naturale care ameninta vieti, distrug bunuri materiale §i intrerup servicii necesare pentru mentinerea vietii §i a relatiilor sociale.

Cutremurele

Proiectarea seismica conventionala

criterii de performanta

capacitatea structurii de rezistenta de a absorbi §i disipa energie intr-o maniera cat mai stabila §i pentru cat mai multe cicluri

Disiparea de energie se poate produce prin formarea de articulatii plastice

Metoda alternativa de protectie seismica

V utilizarea unor dispozitive speciale cu rolul de a absorbi §i/sau disipa energia

indusa

mi§carea seismica.

in

structura

de

Dispozitive speciale ECUATIA DE ECHILIBRU DINAMIC

sau

Clasificarea dispozitivelor speciale dupa rolul avut la modificarea ecuatiei de echilibru dinamic DEPENDENTE DE DEPLASARE

Dispozitive liniare [LD] Dispozitive neliniare [NLD] (histeretice)

> S3

o PLH U1

DEPENDENTE DE VITEZA (amortizori vascosi [VD])

DEPENDENTE DE ACCELERATII

MODIFICATOARE DE INPUT

Dispozitive cu fluid vascos [FVD] Dispozitive cu fluid magneto-reologic [MRD]

Dispozitive cu metale ductile [YMD] Dispozitive cu frecare [FD]

DISPOZITIVE DEPENDENTE DE DEPLASARE Dispozitive histeretice prin deformare plastica >Comportarea histeretica a dispozitivelor cu materiale ductile (dispozitive elasto-plastice) este rezultatul capacitatii de deformare a materialului constituent;

>Dispozitivul de disipare absoarbe energia seismica utilizand proprietatile de deformare plastica a metalelor puternic disipative precum otelul, plumbul si cateva aliaje speciale;

> pot fi folosite atat in controlul pasiv, cat si cel semiactiv al sistemelor structurale

■ 1

1S las. H— -. — 1e w 00

X

00 I

Exemple de amortizori folosind metale ductile Pot A CM

1

AVANTAJE

avea

semiluna,

diverse

fluture,

forme: sina,

placa

trunghiulara sau X, scopul comun al acestora fiind acela ca elementele sa se plastifice cat mai uniform DEZAVANTAJE

:

77777

SStabilitate si durabilitate ridicata; S Cicluri stabile pentru curba histeretica; SSensibilitate limitata la schimbarile conditiilor mediului inconjurator; S Controlul incarcarii maxime transferate structurii ca urmare a unei consolidari scazute; S Capacitate mare de disipare de energie pentru deplasari relativ mici; SUsurinta inlocuirii elementelor; S Comportare multi-directionala

pivot,

• •

In cazul sudurilor, acestea au o comportare casanta; Ductilitatea dispozitivului este puternic influentata de forma acestuia

Exemple disipatori prin deformare plastica

Unbonded Braces

Domenii de utilizare Diagrama histeretica pentru dispozitivele care folosesc metale ductile: (a) Dispozitivele pot fi

curba experimental; (b) curba teoretica

folosite

atat

cladiri cat §i la poduri, dovedindu-se foarte eficiente in cazul consolidarilor §i restaurarilor cladirilor istorice. A

la

> > >

In functie de modelul structural al cladirii aceste dispozitive pot indeplini diverse roluri:

la structuri in cadre: reducerea raspunsului structural sub incarcari seismice, reducerea deplasarilor relative de

nivel, reducerea degradarii elementelor structurale ca urmare a disiparii energiei.

la cladiri din zidarie: reducerea raspunsului structural sub incarcari seismice, cre§terea amortizarii in structura §i

a capacitatii de disipare de energie. la poduri:

vehiculelor.

reducerea deplasarilor

intre partea

superioara

si baza, absorbtia

efectului

franaraii

DISPOZITIVE DEPENDENTE DE DEPLASARE

Dispozitive cu frecare > Dispozitivul cu frecare disipa o mare cantitate de energie prin frecarea dintre doua suprafete glisante. >Introducerea amortizarii suplimentare, cu care este inzestrat amortizorul cu frecare, reduce fortele laterale de inertie si amplitudinea vibratiilor. > Aceste dispozitive sunt folosite atat in cazul controlului structural pasiv, cat si cel semi-activ. > In cazul amortizarii interioare a structurii, deplasarile sunt datorate deplasarilor relative de nivel, aplicate amortizorilor cu frecare. Aceasta necesita ca amortizorul sa faca legatura intre doua nivele consecutive, conexiunea realizandu-se prin intermediul unor elemente structurale cum ar fi diagonale sau panouri de perete cu rigiditate finita, legatura dintre acestea fiind facuta in serie cu amortizorului Amortizor cu frecare de tip Pall realizat dintr-un set de platbande cu gauri, tratate special pentru a produce o foarta buna frecare. Aceste platbande sunt imbinate intre ele in asa fel incat la o anumita valoare a incarcarii este permisa glisarea unora peste celelalte

Dispozitiv de amortizare cu frecare tip Damptech consta in trei placi metalice si doua tampoane de frecare plasate intre acestea. Un surub de inalta rezistenta pretensionat in combinatie cu discuri resort si saibe intarite sunt folosite pentru a mentine forta de compresiune pe suprafetele de frecare. Cantitatea de energie disipata este proportionala cu rezistenta la frecare rezultata din glisare si rotirea relativa dintre placile amortizorului.

Amortizor cu frecare de tip Pall

Contravantuiri in V cu amortizor Amortizor Damptech Damptech

Legatura disipatoare de energie (EDR - Energy Dissipating Restraint)

mecanism care permite frecarea pe o zona de miscare, cu blocaje la capetele aceste zone. Dispozitivul, are doua calitati care il diferentiaza de celelalte: capacitatea de autocentrare ridicata si directa proportionalitate intre forta de frecare si deplasare

Amortizor Electromagnetic Semiactiv cu Frecare (SAEMFD -Semi-Active

Electromagnetic Friction Damper) reglarea fortei de frecare se face prin folosirea unui camp electromagnetic. Acesta consta dintr-un suport de frecare prins intre doua placi de otel. Aceste trei straturi sunt imbinate cu buloane in asa fel incat frecarea sa aiba loc intre placile metalice si tamponul de frecare. Forta normala in SAEMFD poate fi variata prin reglarea curentului care strabate bobinele electrice si amortizorul in timp real

Sistem de izolare care incorporeaza reazeme glisante semiactive cu frecare controlabila

Forta de frecare pe suprafata de glisare dintre suprastructura si fundatie este controlata in asa fel incat sa se minimalizeze deplasarile si transferul fortei seismice catre suprastructura

Caracteristici structurale Amortizor cu frecare ideal

amortizor de tip Coulomb, avand forta rezultanta

Curba histeretica a unui amortizor cu frecare ideal, de tip Coulomb

Amortizorii

cu frecare sunt proiectati ca sa nu lucreze sub actiunea incdrcdrilor de serviciu /

sau a celor datorate vdntului. In schimb,

in

timpul

unui

seism

major, ace§tia se activeazd (la o Curba histeretica a unui amortizor cu frecare determinata experimental

valoare optima a mcarcaru, lnainte ca

structurale

Curba histeretica teoretica a unui amortizor cu frecare

elemente

sa prezinte

incursiuni in domeniul plastic) §i disipa o mare cantitate din energia seismica.

Forta

alte

AVANTAJE SSimplitate din punctul de vedere al materialelor, realizarii si implementarii; SEficienta in reducerea pagubelor datorate cutremurelor; SEconomie din punct de vedere al costurilor si timpului de instalare; SFlexibilitatea aplicarii la structuri din beton, otel, zidarie si cadre de lemn; SIn lucru au deplasari limitate; SControlul flambajului in contravantuirile comprimate; SCurba histeretica stabila; SSensibilitate scazuta la schimbari ale conditiilor de mediu; SValori mari ale energiei disipate raportate la valori mici ale deplasarilor; SPosibilitate de reutilizare. DEZAVANTAJE •

Necesitatea unei intretineri regulate, datorata faptului ca prin utilizare, interfata de frecare poate suferii modificari si implicit rezulta modificari in comportarea sistemului;

• • •

Uzura mecanica a suprafetelor de contact dupa numeroase cicluri de incarcare; Dificultati in identificarea fortei de frecare dupa instalare; Imperfectiuni ale suprafetelor.

Domenii de utilizare Dispozitivele se pot aplica atat la cladiri cat si la poduri, dovedindu-se foarte eficace la consolidarea si reabilitarea cladirilor istorice si monumentale. Astfel, amortizorii cu frecare se pot intalni la diverse tipuri de structuri, avand diverse roluri, in functie de tipul acesteia: > > >

Cladiri in cadre: pentru reducerea raspunsului structural sub actiunea seismica, reducerea deplasarilor relative de nivel, reducerea degradarilor la elementele structurale ca urmare a disiparii de energie; Structuri din zidarie: pentru reducerea raspunsului structural sub actiunea seismica, cresterea amortizarii structurii si a capacitatii de disipare de energie; Poduri: pentru reducerea deplasarii dintre varf si baza, amortizarea efectului de franare al autovehiculelor.

Exemple structurale

Patient Tower, Seattle, SUA [Contravantuiri incruci^ate - amortizor cu frecare tip Pall]

1

Templul Yaguriji, Japonia (Amortizori cu frecare tip Damptech)

Fabrica de avioane comerciale Boeing, Everett, SUA

[Contravantuire diagonals §i contravantuiri in cruce - amortizori cu frecare Pall]

Cladire cu 5 etaje, Japonia (Amortizor Damptech folosit la izolarea bazei) 0

Rezultate experimentale Amortizor cu frecare de tip Pall 1987 - Structura cu noua etaje si trei deschideri echipata cu amortizori cu frecare (model, scara 1:4, avand o inaltime de 8.50 m si o latime de 5.50 m), test pe masa vibranta efectuat la Centrul de cercetare in inginerie seismica al Universitatii California din Berkeley

Concluzii Dispozitivele devin mai eficiente in absorbtia de energie cu cat magnitudinea fortelor disturbatoare creste.

I* j> ■if

Curba histeretica a dispozitivului, PGA=0.447g

Amortizor cu frecare de tip Damptech (FDD) La Centrul national pentru cercetare in inginerie seismica [National Center for Research on Earthquake Engineering (NCEER)] a fost testata pe masa vibranta, in 2001, o cladire de trei etaje. Structura de rezistenta a cladirii pentru test a fost realizata din cadre metalice cu noduri rigide avand inaltimea etajului de 3.0 m si deschiderea pe directia micarii de 4.5 m In laboratoarele Universitatii Tehnice a Danemarcei s-a realizat si testat un cadru cu un nivel si o deschidere Pentru a verifica experimental concepul sistemului de amortizare, testele efectuate au fost atat teste statice cat si dinamice. Dimensiunile globale ale cadrului sunt 1.125 m inaltimea si 1.10 m deschiderea Concluzii ■ Comportarea histeretica a amortizorului este aproape independenta de frecventa, pentru zonele de frecvente inalte conform rezultatelor obtinute pentru momentul preluat de amortizor versus rotirea relativa intre placile amortizorului. Acest lucru justifica alegerea legii Coulomb pentru modelarea frecarii; ■ Energia disipata pe ciclu de incarcare este proportionala cu amplitudinea deplasarii laterale; ■ O comportare foarte stabila si fara degradari sub un numar mare de cicluri de incarcare; ■ O comportare de incredere a amortizorului, atribuita calitatii materialului placii de frecare; ■ FDD a disipat aproape 89% din energia de intrare atunci cand modelul cadrului a fost excitat cu o frecventa de 3 Hz si o forta maxima de 0.8 kN

IT"?' -

■ ur Curbele de vanatie ale momentului

yin

| DISPOZITIVE DEPENDENTE DE VITEZA

>Amortizorul vascos, consta intr-un cilindru inchis ce contine un fluid vascos. Fluidul poate fi silicon, ulei sau alt fluid cu vascozitate controlabila. Un brat al pistonului este conectat la un element cu orificii. Prin fortarea fluidului prin gaurile capului de piston se creeaza o presiune rezultand o forta de amortizare, disipandu-se in acest fel de energie. >Datorita faptului ca forta de amortizare variaza numai cu viteza de incarcare, amortizorul vascos poate fi clasificat ca un dispozitiv disipator de energie dependent de viteza. >In general, amortizorii vascosi sunt utilizati ca sisteme de control pasiv, dar prin controlul asupra dimensiunilor orificiilor sau a vascozitatii fluidului ei pot fi utilizati si in cadrul sistemelor de control semi-active. >Amortizorii vascosi reprezinta o alternativa la plastificarea sau cedarea unor elemente structurale, ca o cale de a absorbi energia seismica. Acestia pot disipa aproape intreaga energie seismica, lasand structura Piston Caracteristici structurale Punct de Cilindru cu fluid

legatura

intacta si gata pentru utilizare imediat dupa eveniment Forta rezultanta a unui amortizor vascos depinde de viteza relativa dintre cele doua capete ale amortizorului

F = C\V\asgn(V) Amortizor vascos uzual C si a - constante de amortizare

V - viteza relativa intre cele doua capete ale amortizorului

• •

rt < 1

• •

a=1

• •