|
Discuţie:Forta cutremurelor
De la Portal semantic Pagini Favorite
Cuprins |
forta cutremurelor
ANALIZA INCARCARILOR SEISMICE SI COMPORTAREA
CONSTRUCTIILOR
Dimensionarea corecta a unei constructii la grupari de incarcari care contin si incarcari
dinamice ridica probleme legate de efectul actiunilor dinamice fata de efectul actiunilor statice.
Daca la o actiune statica efectul in elementele structurale este independent de tipul actiunii, la
actiuni dinamice efectul in elementele structurale este mai mare sau mai mic daca miscarea
proprie a constructiei este in faza sau nu cu actiunea dinamica. In acest caz sunt cresteri sau
descresteri ale energiei totale a sistemului oscilant (constructie) care are ca efect cresterea
incarcarilor, exprimata in forte si deformatii, de cateva ori fata de actiunea dinamica considerata
ca o sarcina statica echivalenta.
Functie de modul de comportare, liniar sau neliniar, al structurii la incarcari dinamice pot
sa apara doua sau trei fenomene din punct de vedere al bilantului energetic care in final duce la
raspunsuri dinamice foarte diferite ale structurii. Pentru analiza consideram ca actiune dinamica
un cutremur.
Daca structura afectata de cutremure are o comportare liniara atunci se produc doua
fenomene din punct de vedere al transferului de energie si al bilantului energetic in timpul unui
cutremur.
Fenomenul 1 - transfer de energie seismica de la terenul de fundare la structura prin lucrul
mecanic al fortelor de interactiune. Acest transfer duce la cresterea sau descresterea energiei
cinetice a structurii functie de raportul dintre perioada componentelor periodice ale excitatiei si
perioadele modurilor proprii de vibratie ale structurii. La structurile spatiale clasice, de regula,
acest transfer duce la cresterea energiei cinetice a constructiei conducand la marirea deformatiilor
si in consecinta a solicitarilor elementelor structurale.
Fenomenul 2 - consum de energie prin transformarea ei in caldura datorita fenomenelor de
frecare.
Daca structura afectata de cutremure are o comportare neliniara dependenta de nivelul de
solicitare atunci, de regula, se produce trei fenomene din punct de vedere al transferului de
energie si al bilantului energetic in timpul unui cutremur.
In acest caz structurii (sistemului oscilant) aflata in stare de repaus i se transfera initial o
cantitate de energie prin punerea in miscare oscilatorie a ei datorita actiunii seismice asupra
fundatiei. In continuare functie de raportul dintre perioadele de vibrare ale constructiei si perioada
dominanta a miscarii seismice, energia constructiei poate fi marita (fenomenul 1) sau micsorata
(fenomenul 3) prin lucrul mecanic al fortelor de interactiune care pot fi in faza sau antifaza cu
miscarea seismica.
In cazul structurilor spatiale clasice, de regula, lucrul mecanic al fortelor de interactiune pe
toata durata cutremurului duce la marirea energiei cinetice totale a constructiei si in final la
suprasolicitarea structurii datorita faptului ca pierderea de energie prin amortizare are pondere
mica (fenomenul 2).
Daca structurile spatiale s-ar putea realiza ca in domeniul elastic de comportare sa aibe
perioade de vibrare mult mai mari decat perioadele dominante ale miscarii seismice atunci energia
transmisa structurii prin socul initial (scoaterea din starea de repaus) ar fi micsorata de lucrul
mecanic al fortelor de interactiune pe durata cutremurului (fenomenul 3). Aceasta reducere
cumulata cu pierderea de energie prin amortizare (fenomenul 2) ar duce la o energie cinetica
finala foarte mica care poate fi preluata cu eforturi si deformatii foarte mici a elementelor
structurale ceea ce ar asigura o stabilitate buna a constructiei.
Datorita nelinearitatii unor elemente structurale ale constructiei (neliniaritati de material cu
degradare la suprasolicitare sau neliniaritati geometrice, de regula, cu consolidare la
suprasolicitare) perioadele de oscilatie ale acesteia se modifica pe durata actiunii dinamice functie
de nivelul de solicitare iar in acest caz lucrul mecanic efectuat de fortele de interactiune duce la
cresterea sau micsorarea energiei seismice a constructiei functie de apropierea sau departarea de
regimul de rezonanta. Cazul cel mai des intalnit este acela cand lucrul mecanic al fortelor de interactiune duce la micsorarea energiei cinetice a constructiei. Acest fenomen se produce la
degradarea constructiilor clasice afectate de cutremure rapide (de suprafata) care de regula au
componente periodice cu perioade intre 0.14-0.33 s, cand perioadele de vibratie ale constructiilor
degradate cresc de cca 2 ori ca de exemplu de la 0.2-0.4 sec la 0.4-0.8 sec.
Incarcarile seismice orizontale care actioneaza asupra unei constructii prevazute in actele
normative se determina pe un formalism matematic corespunzator unui model cu un grad de
libertate cu ajutorul unei formule de calcul similare cu cea din Normativul romanesc P100 [3]:
S k G r s r r =a b Ye
unde:
- coeficientul de amplificare βr se determina in functie de perioadele oscilatiilor proprii ale
constructiei si de caracteristicile locale date prin perioadele de colt Tc (vezi fig. 2.1);
- valoarea coeficientului de degradare Ψ este stabilita in tabele in functie de tipul structurii fiind
cuprinsa de exemplu intre 0.15 – 0.3 pentru structurile din beton armat, si intre 0.17 – 0.65
pentru structuri metalice. Coeficientul Ψ este puternic dependent de forma curbei βr si de
gradul de flexibilizare al constructiei prin degradare si putin de cresterea amortizarii datorita
degradarii ;
- valoarea coeficientului ce caracterizeaza comportarea dinamica a constructiei εr se determina
in functie de distributia pe verticala a maselor constructiei si de vectorii proprii ai constructiei
(exprima echivalarea dintre o structura spatiala complexa si un model simplu cu un grad de
libertate) ;
- coeficientul de importanta al constructiei α, este cuprins intre 0.8 - 1.4 ;
- coeficientul care caracterizeaza zona seismica ks, in care se afla amplasamentul constructiei
este cuprins intre 0.12 - 0.32 pentru zonele afectate de cutremurele intermediare vrancene
(pentru teritoriul Romaniei) ;
- G este greutatea totala structurala si nestructurala a constructiei.
constructii afectate de cutremure
Constructii afectate de cutremure de suprafata (rapide)
In cazul in care o constructie este afectata de un cutremur rapid, de suprafata si terenul de
fundare nu este un teren moale, asa cum sunt majoritatea cutremurelor din lume (SUA, Japonia,
Turcia, Iran, Irak, Italia, Grecia, etc.), prin acceptarea articulatiilor plastice constructia iese din
zona de amplificare maxima, vezi fig. 1.3, intrucat perioadele de vibratie cresc de pana la 2-3 ori
si devin mai mari decat perioada de colt Tc care are valori de 0.4 s pentru terenuri tari. Datorita
cresterii perioadei de oscilatie a constructiei degradate aceasta iese din zona de amplificare
maxima si lucrul mecanic al fortelor de interactiune duc la micsorarea energiei cinetice de
oscilatie a constructiei. In acest caz apar reduceri foarte mari ale acceleratiei totale a constructiei
intrucat cel putin primul mod de vibratie important al cladirii degradate iese din zona de
amplificare maxima a miscarii seismice si incarcarea seismica totala a cladirii se reduce mult. In
acest caz, cladirea trece din regimul de “rezonanta” fata de excitatia seismica in regim de
“izolare” fata de excitatia seismica. Este posibil ca unele moduri superioare de vibrare ale
constructiei degradate, sa intre in zona de amplificare maxima a miscarii seismice si sa aibe o
contributie importanta la miscarea de ansamblu a constructiei degradate .
Constatarea practica ca multe constructii sunt rupte de cutremure la etajele 2-3 poate fi
explicata prin intrarea in regim de rezonanta cu miscarea seismica a modurilor superioare de
vibrare a cladirii degradate.
Valoarea coeficientului Ψ trebuie determinata functie de departarea perioadelor de
oscilatie a modurilor proprii importante ale cladirii de perioada de colt Tc si de forma curbei βr si
nu trebuie sa fie lasata la flerul proiectantului de structuri.
Totodata, trebuie mentionat faptul ca prin aparitia articulatiilor plastice si a altor degradari,
creste amortizarea totala a intregului sistem oscilant cladire-teren, fapt ce duce la o reducere
suplimentara a incarcarilor de maximum 30%. Pe de alta parte cresterea amortizarii cladirii
datorita degradarii este nesigura si nu poate fi evaluata corect cantitativ.
In concluzie pentru constructiile afectate de un cutremur rapid de suprafata efectul de
reducere a incarcarilor seismice este dat atat din iesirea cladirii degradate din zona amplificarii
maxime a curbei βr cat si de disiparea energiei seismice in articulatiile plastice. Ambele efecte
conduc la o reducere importanta a incarcarilor seismice si a solicitarilor seismice in elementele de
rezistenta. Trecerea cladirii din zona de rezonanta in zona de izolare are un efect de cateva ori
mai mare decat cresterea amortizarii datorita aparitiei articulatiei plastice.
1.2. Constructii afectate de cutremure intermediare (lente)
In cazul in care o constructie este afectata de un cutremur lent, cum sunt cutremurele
intermediare vrancene sau constructia este fundata pe un teren moale si afectata inclusiv de un
cutremur de suprafata, atunci degradarile locale ale cladirii vor duce la cresterea perioadelor de
oscilatie ale acesteia, dar in acest caz, constructia in loc sa iasa din zona de amplificare maxima a
excitatiei seismice, ramane in aceasta zona sau in unele cazuri cladirea intra in zona de
amplificare maxima (vezi fig. 1.4). Acest fenomen se produce numai la cutremurele lente intrucat
cresterea perioadelor de oscilatie ale constructiei degradate, nu pot fi asa de mari incat constructia
sa iasa din zona de amplificare maxima a cutremurelor lente si totodata constructia sa-si pastreze
integritatea intrucat nu are loc trecerea constructiei in zona de izolare a curbei βr asa cum se
intampla la cutremurele rapide .
Trebuie mentionat faptul ca la constructiile care permit articulatii plastice cu deformatii
mari cresterea amortizarii totale este relativ mica, iar reducerea acceleratiilor seismice si in
consecinta a fortelor seismice nu este importanta ca sa se justifice o reducere a incarcarilor
seismice conform factorului Ψ. Aceasta reducere teoretic poate fi de maxim 0,3 chiar daca se tine
seama si de ductilitatea cladirii si redistribuirea eforturilor.
Daca se tine seama de faptul ca pentru o constructie afectata de un cutremur doar un
procent foarte mic, sub 5 %, din ansamblul elementelor structurale intra in domeniul plastic de
solicitare, restul ramanand in domeniul elastic, reducerea acceleratiilor seismice ale cladirii
datorita cresterii de amortizare este mult mai mica.
Pe de alta parte, aceasta reducere nu poate fi bine controlata intrucat mecanismul de
degradare nu poate fi controlat la deformatii mari ale elementelor structurale.
Reducerea solicitarilor seismice in elementele de rezistenta cu un coeficient Ψ cuprins, conform
P100/1992, intre 0.17 – 0.65 pentru structuri metalice de exemplu este o eroare pentru
cutremurele intermediare vrancene. Acest coeficient poate fi de minimum 0.4 asa cum rezulta din
curba βr din Normativul P100.
Reducerea solicitarilor seismice prin iesirea din zona de amplificare maxima care se
produce doar la degradarea constructiilor afectate de cutremurele rapide de suprafata nu poate fi
aplicata si la constructiile amplasate in zonele afectate de cutremurele lente cum sunt cutremurele
intermediare vrancene sau la constructii fundate pe terenuri moi. In acest caz aplicarea
prevederilor normativului poate avea efect opus deoarece poate sa apara si o marire a transferului
de energie de la teren la constructii datorita fenomenului de rezonanta intre constructia
flexibilizata datorita degradarilor si componentelor periodice dominante ale miscarii seismice care
in final va duce la distrugerea cladirii. Coeficientul Ψ trebuie sa fie definit pentru cele doua tipuri
de cutremure: cutremure rapide si lente functie de conditiile locale caracterizate prin perioada de
colt Tc.
actiuni seismice
ANALIZA TRANSMITERII ACTIUNILOR SEISMICE DE LA TEREN LA
CONSTRUCTII
Constructiile, pentru a prelua in conditii de siguranta incarcarile din cutremure trebuie in
asa fel concepute, proiectate si realizate incat transferul de energie si impuls seismic de la terenul
de fundare la constructie sa se realizeze cu forte de interactiune cat mai mici si cantitatea de
energie si impuls transferata cladirii sa fie minima. Pentru aceasta miscarea oscilatorie proprie a
constructiei trebuie sa nu fie in faza cu miscarea seismica. Trebuie ca o cantitate cat mai mare din
energia constructiei sa se consume prin transformarea ei in caldura si lucrul mecanic al fortelor de
excitatie sa duca la micsorarea energiei cinetice a constructiei.
Pentru o intelegere cat mai buna a modului de transmitere a impulsului si energiei seismice
de la terenul de fundare la constructie sa consideram cel mai simplu model dinamic pentru o
constructie, realizata dintr-o masa concentrata m si un element care are rigiditatea k si
amortizarea relativan care leaga masa de terenul de fundare. Acest model, cu un singur grad de
libertate pe o directie, este pus in miscare prin translatia bazei. Modul in care se comporta o
constructie supusa unei actiuni seismice in diferite moduri de realizare este prezentat schematic pe
modelul din figura 2.1.
Conform legilor de variatie a energiei si impulsului pentru acest model se poate scrie la un
moment i :
i i i F × Dd = DE
i i i F × Dt = DI
unde :
DE - energia seismica transmisa de la terenul de fundare la cladire;
DI - impulsul seismic transmis de la terenul de fundare la cladire;
F - forta care realizeaza transmiterea impulsului si energiei seismice de la terenul de fundare la
cladire;
Dd - deplasarea relativa dintre terenul de fundare si cladire;
Dt - durata de timp in care se face transferul de impuls si energie de la terenul de fundare la
cladire.
Daca impulsul si energia seismica se transmit de la terenul de fundare la constructie cu o
deformatie relativa Dd mare si respectiv un timp Dt lung atunci forta seismica F prin care se
realizeaza acest transfer si care va actiona asupra constructiei este mai mica intrucat produsele
F × Dd si respectiv F × Dt sunt constante pentru acele momente i .
consolidarea constuctiilor
Avantajele consolidarii constructiilor cu ajutorul dispozitivelor SERB-CON
Solutia de crestere a capacitatii de rezistenta a constructiilor existente la cutremure prin
utilizarea dispozitivelor mecanice SERB-CON are urmatoarele avantaje generale fata de solutiile
clasice:
- este pe ansamblu de circa 2-3 ori mai ieftina;
- se realizeaza intr-un timp de circa 3-4 ori mai scurt;
- nu este necesara eliberarea spatiilor pentru interventia echipei de consolidare in varianta 1
de consolidare, iar in varianta 2 de consolidare este necesara restrangerea esalonata a
activitatii pe timp scurt in unele camere ale cladirii;
- deseurile rezultate in urma consolidarii sunt de circa 10 - 15 ori mai mici fata de solutiile
clasice de consolidare, iar manipularea acestora se poate face pe spatiile uzuale de acces fara
a afecta functionalitatea cladirii;
- materialele de consolidare sunt realizate din otel, mortare de ciment sau beton armat in
cantitati mici care, de asemenea, pot fi manipulate pe spatiile uzuale de acces impreuna cu
dispozitivele SERB-CON;
- partea de arhitectura a cladirii este afectata foarte putin prin interventii locale realizate in
general in interiorul cladirii la suprastructura sau in infrastructura;
- organizarea de santier poate fi realizata in spatii foarte mici existente, ceea ce permite
consolidarea cladirilor de pe principalele artere de circulatie ale oraselor.
