Izolații semi-active, rezistente la cutremur

Izolații semi-active, rezistente la cutremur

Subiect de mare importanță și de mare interes, rezistența clodirilor la cutremur este în permanență preocupare pentru specialiștii din construcții. În cadrul acesteia, izolațiile clădirilor au un loc special, ele fiind printre primele care pot ceda, în cazul unui efect nedorit. O soluție, o pot oferi izolațiile semi-active. Tema a făcut obiectul unei cercetări rezumată în lucrarea cu titlul  ”Semi-active control of mid-story isolation building system”, semnată de MinHo Chey, J. Geoffrey Chase, John B. Mander, Athol J. Carr Zachry, de la Department of Civil Engineering, Texas A&M University.

O promisiune semnificativă

Cercetarea specialiștilor americani a explorat sistemele de construcție de izolare semi-activă de generație viitoare, pentru a reduce răspunsul seismic al structurilor înalte și pentru atenuarea daunelor. Configurația structurală propusă, separă părțile superioare ale unei structuri, pentru a acționa ca masa reglată semi-activ. Această abordare semi-activă folosește un dispozitiv resetabil semi-activ, pentru controlul feedback-ului, cu scopul de a modifica sau manipula forțele de reacție, reglând eficient sistemul, în funcție de răspunsul structural.

Modelul simplificat cu două grade de libertate (2-DOF), explorează eficacitatea acestor sisteme de control structurale modificate și demonstrează validitatea generală a parametrilor optimi derivați. Totodată, sunt descrise și analizate mai multe cazuri de structuri de izolare (MSI), de tip intermediar, care utilizează dispozitive resetabile semi-active. Comparațiile de performanță se bazează pe energia calculată statistic și cerințele de daune.

Sistemele de construcții sugerate arată o promisiune semnificativă pentru aplicațiile de control structural și oferă avantaje, față de sistemele de clădiri cu control pasiv, în reducerile de răspuns constante, observate pe o gamă largă de frecvențe naturale structurale. În general, specialiștii americani s-au concentrat pe prezentarea unei metodologii utilă pentru proiectarea sistemelor de clădire semi-active de izolare intermediară (SA-MSI), evidențiind configurația structurală adaptabilă și performanțele obținute. Potrivit constatărilor, există un potențial bun pentru sistemele de construcții MSI, în special în modernizarea locurilor în care lipsa de spațiu constrânge extinderea unei dezvoltări urbane viitoare. În cele din urmă, abordarea prezentată oferă o perspectivă asupra modului în care regândirea soluțiilor tipice cu tehnologia nouă poate oferi îmbunătățiri dramatice care altfel nu ar putea fi de așteptat sau obținute.

Controlul vibrațiilor structurale

Controlul vibrațiilor structurale produse de cutremure sau de sarcini de vânt se poate face prin diferite mijloace fundamentale. Aceste abordări conceptuale includ modificarea rigidităților, a maselor, a amortizării sau a formei, dar și prin asigurarea forțelor contrare pasive sau active. Până în prezent, unele metode de control structural au fost utilizate cu succes, iar metodele propuse recent oferă posibilitatea extinderii aplicațiilor și îmbunătățirea eficienței. Acum, s-a stabilit că acest control structural este o parte importantă în proiectarea de noi clădiri importante, precum spitalele și, în unele cazuri, pentru reamenajarea structurilor existente, cu scopul de a mări rezistența la cutremur și vânt.

Ca una dintre strategiile de control structural de generație următoare, ideea de bază din spatele cercetării propuse este aceea de a dezvolta o combinație de dispozitive resetabile semi-active și sisteme de izolare structurale modificate, și de a le îmbina în concepte de sistem de amortizoare de masă, reglate. Mai precis, pentru a extinde aplicarea eficientă a tehnicilor de izolare, se propune să se concentreze asupra anumitor acțiuni ale structurii, ca principală țintă a izolării. Stratul de izolare este astfel situat între spații separate, ale structurii. Conceptual, metoda combină tehnologiile semi-active emergente, cu conceptele tradiționale, reglate de masă și izolare de bază, pentru a lărgi și a îmbina aplicabilitatea tuturor acestor abordări și pentru a oferi performanțe îmbunătățite și mai robuste.

Izolarea seismică

Sistemele Tuned Mass Damper (TMD) sunt o strategie practică bine acceptată în domeniul controlului structural, pentru structurile flexibile, în special pentru clădirile înalte. TMD ste format din masă adăugată cu arcuri și elemente de amortizare adecvate, oferind o histereză dependentă de frecvență, care crește amortizarea în structura primară. Mecanismul de suprimare a vibrațiilor structurale prin atașarea unui TMD la structură, are scopul de a transfera energia de vibrație a structurii în TMD și de a disipa energia în amortizorul TMD.

În comparație cu dispozitivele de control care sunt conectate la elemente structurale sau îmbinări, TMD implică o masă și deplasări relativ mari. Metoda folosită pentru susținerea masei și asigurarea controlului precis al frecvenței este o problemă importantă în proiectarea unui TMD. Astfel, performanța finală a sistemului TMD este limitată de dimensiunea masei suplimentare, care este de obicei de 0,25 – 1,0% din greutatea clădirii, în modul fundamental.

Izolarea bazei

Proiectarea cu succes a izolării bazei necesită o înțelegere adecvată a influenței fiecărui parametru în sistemul de izolare și a acțiunii suprastructurii, asupra performanței seismice generale a clădirii izolate. Funcția principală a unui dispozitiv de izolare este acela de a sprijini suprastructura, oferind în același timp un grad ridicat de flexibilitate orizontală, rezultând o perioadă fundamentală mare, pentru clădirea izolată ca masă rigidă pe izolator.

Skinner și colab. a demonstrat că cea mai importantă caracteristică a izolării seismice este creșterea perioadei naturale a structurii, pentru realizarea acestei sarcini. Utilizarea izolatoarelor la baza clădirii este o abordare de lider, în proiectarea seismică a structurilor. Cu toate acestea, tehnologia nu se aplică într-o varietate de clădiri, din cauza dificultăților tehnice în tehnologia însăți a materialului izolatorului sau a structurilor înalte, unde răsturnarea este un motiv de îngrijorare. Costurile ridicate ale unor dispozitive izolatoare și implementarea lor în structuri sunt alte preocupări în proiectarea unor astfel de sisteme.

Izolarea medie (MSI)

Zhou și colab. a introdus câteva exemple de clădiri de izolare seismică în China,  folosind izolarea bazei, izolarea subsolului și izolarea etajelor medii. Unul dintre aceste exemple este platforma cadru RC cu 2 etaje, cu dimensiunea planului de 1.500 m lățime și 2.000 m lungime, care acoperă zona de hub a comunicațiilor feroviare ale orașului. La ultimul etaj al platformei au fost construite aproximativ 50 de case (cadru RC cu 9 etaje). Stratul de rulment din cauciuc este situat la ultimul etaj al platformei, pentru a izola, atât mișcarea seismică, cât și vibrațiile de la calea ferată.

Un alt exemplu practic de structură de izolare din China, este o clădire de birouri cu 8 etaje. Clădirea de birouri originală cu patru etaje a fost construită în anii 1950 în Shenyang. În clădirea inițială a fost adăugată o structură cu patru etaje și un cadru exterior, pentru a îmbunătăți performanțele seismice ale ambelor structuri.

În Japonia, Murakami și colab.  a descris proiectarea unei clădiri multifuncționale de 14 etaje, care să găzduiască apartamente, camere de birouri și magazine, unde un sistem de izolare seismică este instalat pe etajul de mijloc. Mai mult, Sueoka și colab. a examinat o clădire de 25 de etaje, cu o interfață de izolare la nivel intermediar între etajul 11 ​​și etajul 12. Clădirea cuprinde spații de birouri la etajele superioare și un spațiu hotelier la etajele inferioare.

O altă aplicație de reamenajare care folosește izolația de tip intermediar, este un centru de formare a personalului de 16 etaje, din Taisei Corporation, prezentată de Kawamura et al. în Japonia. Izolarea de la etajul intermediar a fost situată la etajul 8, deoarece clădirea este parțial subterană, de la etajul 7 în jos.

Concomitent, în Coreea, există un exemplu construit recent de clădire rezidențială-comercială cu izolare la nivel intermediar. Această clădire este formată din structuri comerciale (subterane), cu 7 etaje și parcare cu 35 de etaje (etajele 1-8) și structuri rezidențiale (de la 9 la 35 de etaje). Stratul de izolare a fost adăugat pe partea superioară a structurii. Etajele inferioare sunt o structură tipică, încadrată cu coloane de grindă, în timp ce etajele superioare sunt o structură compusă din sisteme de plăci plane și pereți.

Conceptul structural

Conceptul de sistem de construcție propus poate fi definit ca o extensie a sistemului convențional TMD, dar utilizând un raport mare de masă. Datorită raportului de masă mare, porțiunea superioară poate avea o deplasare mare. Pentru a evita mișcarea laterală excesivă sau cursa masei reglate, porțiunea superioară poate fi interconectată la sistemul de izolare combinat, al rulmenților de cauciuc, și un amortizor vâscos (pasiv) sau un dispozitiv resetabil, semi-activ. Când cadrul de construcție este implementat cu sistemul de izolare propus, porțiunea superioară este susținută de rulmenții de cauciuc atașați în partea de sus a coloanelor principale ale cadrului.

Mecanismul general de suprimare a vibrațiilor structurale induse de un cutremur are scopul de a transfera energia de vibrație a structurii în partea superioară izolată. Energia transferată este disipată în interfața de izolare, astfel încât forța seismică a întregii suprastructuri poate fi redusă. Astfel, eficacitatea generală depinde de cantitatea de energie transferată sau de dimensiunea masei mari reglate, și de capacitatea elementelor izolatoare (amortizor vâscos sau dispozitiv resetabil), de a disipa energia respectivă prin mișcările relative de la interfață.

Rezultate și performanțe

Sommerville și colab. a dezvoltat trei apartamente cu 20 de înregistrări de accelerare a cutremurului, pentru a reprezenta pericolul seismic la faza II din Los Angeles, mai precis, faza SAC. Apartamentele înalte, medii și joase sunt grupate în funcție de o probabilitate de depășire de 2%, 10% și, respectiv, 50%, în 50 de ani. Suite-urile de nivel scăzut și mediu sunt alcătuite exclusiv din perechi de mișcări, înregistrate la sol, în timp ce apartamentele de nivel înalt conțin cinci perechi de mișcare, generate artificial.

Fiecare dintre perechile de mișcare la sol reprezintă același cutremur, măsurat pe direcții ortogonale, fiecare dintre acestea fiind la 45 de grade, față latura la care planul de eroare intersectează un plan orizontal. Pentru evaluările statistice, măsurătorile de răspuns sunt definite, fiecare, în legătură cu un singur eveniment seismic. Pentru a combina aceste rezultate, între cutremurele dintr-o suită, sunt folosite instrumente statistice, bazate pe un jurnalul normal. Pentru a combina valorile de răspuns ale unei suite de mișcări la sol, este definită și folosită o mediană a cantităților de răspuns ale unei suite, cu n cutremure.

Analiza modală

Rezultatele analizei modale, folosind metoda Ruaumoko, a sistemelor de construcție MSI, oferă acum două moduri majore de vibrație, în loc de unul, în cazul necontrolat al unei clădiri cu 12 etaje. În ciuda a două moduri majore și, prin urmare, a unui sistem susceptibil să primească cantități mai mari de energie de intrare de la un cutremur, o porțiune relativ mare din energia prinsă este concentrată în stratul de izolare. Pentru sistemele de clădire SA-MSI, modul 1 domină planurile superioare, iar modalitate a 2-a, cu o magnitudine mult mai mică,  domină răspunsul planurilor inferioare. Astfel, atât modul 1, cât și cel de-al 2-lea mod al structurii originale, sunt decuplate de stratul de izolare.

Concluzii

Controlul structural oferă un mecanism suplimentar, pentru îmbunătățirea performanței structurale seismice. Pentru o eficiență maximă, este necesar un efort minim de control, pentru atingerea obiectivelor de performanță dorite. Pe baza acestui punct de vedere, această cercetare a demonstrat validitatea sistemelor de construcții MSI ca fiid realiste, pentru a fi luate în considerare în proiectarea și construcțiile viitoare. Detaliile și rezultatele unui set de studii comparative, care sunt utilizate pentru a evalua fezabilitatea și eficacitatea acestor sisteme de izolare.

Din analiza rezultatellor acestui studiu comparativ, se constată că schema propusă poate reduce semnificativ răspunsul seismic al unei structuri, chiar dacă structura este neliniară. Având în vedere aceste constatări și faptul că ar putea fi relativ ușor de construit, folosind aceste dispozitive SA emergente, se concluzionează că sistemul propus de construcție, SA-MSI, are potențialul de a deveni un mod practic și eficient de a reduce daunele cutremurului. Astfel, aceste sisteme merită studii suplimentare, pentru a le examina avantajele și pentru a dezvolta în continuare soluții experimentale de validare și proiectare, ducând în cele din urmă la proiectări inițiale practice.

Dezvoltarea proiectelor adecvate, pentru implementarea sistemelor de management al energiei SA-MSI, asigură că cercetarea propusă rămâne concentrată pe rezultate care sunt imediat utile. Toate aceste rezultate vor avansa în stadiul tehnicii, prin furnizarea de cunoștințe și capabilități suplimentare de la care proiectanții structurali se pot extrage în dezvoltarea de noi structuri sau la modernizarea structurilor existente.

Îmbunătățirea suplimentară a tehnicilor SA-MSI, prezentate de cercetătorii americani, necesită investigarea detaliată a marjei de stabilitate a cadrelor flexibile. Studiu suplimentar este, de asemenea, necesar asupra sistemului de control pasiv și semi-activ combinat, pentru a îmbunătăți performanțele acestei tehnici, în reducerea efectelor cutremurului într-o varietate de clădiri. Cercetările viitoare privind controlul structural, în special utilizarea dispozitivelor resetabile, ar trebui să înceapă din punctul de bază al optimizării sistemului de control, la cerințele fiecărui sistem structural structural luat în considerare.

infoconstruct