Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor [611377]

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
1/60

2017
CAPITOLUL I.
NOȚIUNI GENERALE PRIVIND SISTEMELE DE IZOLARE
ANTISEISMICE

1.1 Scopul sistemelor de izolare antiseismica

Principalul scop al sistemelor de izolare antiseismica il reprezinta protejarea structurilor fata
de actiunea distructiva a cutremurelor.
Pentru a putea ameliora efectele seismelor este necesara cunoasterea tuturor factorilor
implicati in acest fenomen.
Crusta p ământului este divizată în mai multe plăci tectonice, 7 plăci principale (macroplăci)
de mărimea continentelor și circa 12 mult mai mici , acestea interacționând între ele prin intermediul a
două procese :
– expansiune;
– subduc ție.

Fig. 1.1 Plăcile tectonice majore și direcțiile actuale ale deplasărilor.
http://www.mobee.info/despre -cutremure/cauzele -cutremurelor

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
2/60

2017
Energia pe care o elibereaza ciocnirea acestor plăci se extinde pe zone intinse de la suprafata
terestra. Socul seismic se produce ca urmare a unor fracturi ale scoartei care vin in contact intr -un
plan mai slab in care s -au acumulat in decursul timpului deformarii elastice extrem de mari.
Eliberarea brusca a energiei de deformare, transformata instantaneu in energie cinetica, genereaza
unde elastice care se propaga radial in toate directiile, iar prin procese de reflexie și de refractie ajung
la suprafata Pamantului. Punctul teoretic in care se produce rupt ura initiala (in realitate exista o zona
de fractura) se numeste focar sau hipocentru. Punctul situat la suprafata Pamantului, pe verticala
focarului, poarta denumirea de epicentrul cutremurului
Cutremurele violente generate de fractura rocilor se datorea za miscarilor produse in lungul
unui plan de rupere, insotite de eliberarea brusca a unei energii imense. Aceste planuri de rupere se
numesc falii, iar in momentul ruperii instantanee, capacitatea rocii respective a atins valoarea limita
peste care nu mai este capabila sa mai acumuleze deformatii elastice sau energie elastica de
deformatie . In general cutremurele se produc in lungul aceleasi falii, ceea ce caracterizeaza
fenomenul de persistenta a genezei miscarilor seismice. Teoria placilor tectonice susti ne ca prin
comprimarea puternica, care se manifesta la contactul dintre placile continentale, se produc deplasari
mari fie datorita cedarilor in urma strivirii rocilor, fie datorita fenomenului de subductie (alunecarea
relativa a unei placi sub cealalta). Energia eliberata brusc din focar in momentul producerii unui
dezechilibru tectonic se propaga in toate directiile sub forma unor unde elastice, denumite unde
seismice.
Oscilatia seismica a terenului se transmite constructiilor care raspund printr -o osci latie
proprie depinzand de caracteristicile lor dinamice -constructive , rezista sau nu in mod corespunzator
la miscarea seismica in special in functie de capacitatea lor de a prelua fortele laterale de inertie
induse de cutremur .
După lungi perioade de obs ervare componentele cutremurelor au fost determinate de către
cercetători, cum ar fi existența unui vârf de accelerare a mișcării solului, o deplasare mare pe
verticală și o perioadă lungă de unde seismice.
Sistemele de izolare antiseismica atenuează efec tul de distrugere produs de cutremure prin
reducerea accelerației, ale alunecărilor dintre etaje și reducerea forțelor suportate de structură.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
3/60

2017
1.2 Conceptul sistemelor de izolare antseismică

Sistemele de izolare a bazei decuplează clădirea sau structura de componentele mișcării
orizontale a solului prin interpunerea unor elemente structurale cu rigiditate scăzută pe orizontală
între structură și fundație, conferindui structurii o frecvență proprie mai mică decât cea a fundației
sau a solului și de asemenea reducând energia acumulată în structură .

Unde :
E – energia dată de mi șcarea seismică ;
Ek – energia cineti că;
Es – deformarea elastic;
Eh – energia de amortizare ;
Ev – energia v âscoasă de amortizare.
Calculul forței seismice echivalente, conform normativului P100 -1/2006
În normativul romanesc P100 -2006, similar cu normativul european Ec8 -98, aplicarea
metodei forțelor seismice statice echivalente este condiționată de posibilitatea considerării în calculul
structurilor a doua modele plane pe direcții ortogonale al căror ră spuns seismic total nu este
influențat semnificativ de modurile proprii superioare de vibrație .
Astfel, în P100 -2006, relația de calcul pentru forța tăietoare de bază este următoarea:
( )
În care: Sd(T1) – ordonata spectrului de proiectare corespunzătoare perioadei fundamentale
T1;
T1 – perioada fundamental ă de vibrație a structurii pentr u o mișcare lateral ă în direcția
considerată ;
m – masa total a clădirii calculată ca sumă a maselor de nivel m i;
γI – factorul de importanță (expunere) al construcției ;
ƛ – factor de corec ție, care ține seama de contribuția modului propriu fundamental
prin masa modală efectivă asociată acestuia, egal cu 0.85 daca T 1 ≤ 2Tc și clădirea are mai mult de
două eraje, și 1.0 în celelalte cazuri.
Distribuția forțelor seismice de nivel, pentru calculul simplificat, rezultă din relația :

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
4/60

2017

∑

Unde:
Fi – forța orizontală care ac ționează la etajul i
si, sj – deplasările maselor m i și respecti v m j conformt deformatei corespunz ătoare
modului fundamental de vibrație ;
mi, m j – mase de nivel .
In mod uzual, rațiunea ce stă la baza îmbunătățirii comportării structurilor, prin utilizarea
tehno logiilor speciale de creștere a amortizării, este fundamentată de ecuația ge nerală de echilibru
dinamic al structurilor :
̈( ) ̇( ) ( ) ( ) ( ( )) ̈ ( )
Unde :
̈ (t), ̇(t), q(t) – reprezint ă răspunsul structural în termeni de deplasare, viteză și
accelerațite ;
M – masa sistemului; C – constant ă de amortizare a sistemului ; ̈s – accelera ția
solului ;
Qr – forța de revenire a sistemului ;
Folosirea de dispozitive disipatoare de energie urmărește îmbunătățirea comportării structurii
printr -o creștere a amortizării, necesara disipării energiei cinetice care apare în structură ca urmare a
mișcării seismice. Răspunsul structural este redus prin modificarea părții din stânga a ecuației. Aceste
dispozitive sunt prevăzute cu proprietăți speciale, ușor de aplicat.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
5/60

2017
1.3 Tipuri de sisteme de izolare antiseismică

O caracterizare generală a acestor dispozitive poate fi făcută din punctul de vedere al
mecanismului de amortizare care poate fi depende nt de deplasare, de viteză, de accelerație sau al unei
combinații dintre acestea, făcând referire la modificarea părții corespunzătoare din ecuația de
mișcare .
Atât la construcțiile noi, cat și în reabilitarea seismică a construcțiilor existente aceste
dispozitive sau elemente trebuie sa fie amplasate în așa fel încât să exploateze comportarea diferită
dintre părțile conectate și să îmbunătățească capacitatea de disipare de energie și amortizarea
răspunsului.
Utilizarea principiului de izolare a bazei este bazat pe reducerea energiei care intră în
structură, reprezentând o modificare a părții din dreapta a ecuației. Controlul daunelor la elementele
structurale se poate face prin filtrarea acțiunii cu ajutorul unor dispozitive speciale.
Tabelul 1
Amortizoare dependente de deplasare Amortizoare liniare
Amortizoare histeretice Amortizoare metalice
Amortizoare cu frecare
Amortizoare dependente de vitez ă Amortizoare cu fluid vâscos (VFD)
Amortizoare vâscoelastice (VEFD)
Amortizoare electrohidraulice (EHD)
Amortizoare dependente de accelerații Amortizoare cu masă acordată (TMD)
Tehnologia de izolare a bazei Amortizoare elastomerice (ED)
Amortizoare -reazem din cauciuc
Sistem FPS

1.3.1 Amortizoare dependente de deplasare
1.3.1.1 Dispozitive care folosesc proprietățile de ductilitate ale metalelor
Comportarea histeret ică a dispozitivelor cu materiale ductile, cunoscute sub numele de
dispozitive elasto -plastice, este strâns legată de capacitatea de deformare a materialului constituent.
Acestea reprezintă cea mai mare parte a dispozitivului de disipare care absoarbe ener gia seismica

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
6/60

2017
utilizând proprietățile de deformare plastică a metalelor puternic disipative precum otelul, plumbul și
câteva aliaje speciale.
Amortizorii cu comportare plastică la forță tăietoare sau la încovo iere se pot utiliza drept
conectori pentru panouri de pereți în consolă sau pot fi amplasați pe structuri metalice.
1.3.1.2 Dispozitive cu frecare
Acest tip de dispozitiv poate disipa o mare c antitate de energie prin frecarea dintre două
suprafețe glisante. Astfel, introducerea amortizării suplimentare, cu care este înzestrat amortizorul cu
frecare, reduce forțele laterale de inerție și amplitudinea vibrațiilor. Aceste dispozitive sunt folosite
atât în cazul controlului structural pasiv, cât și cel semi -activ.

1.3.2 Amortizoare dependente de viteză

Amortizorul vâscos, reprezentat in figura 2 , constă într -un cilindru închis ce conține un fluid
vâscos. Fluidul poate fi silicon, ulei sau alt fluid cu vâscozitate controlabilă. Un braț al pistonului este
conectat la un element cu orificii. Prin forțarea fluidului prin găurile capului de piston se creează o
presi une rezultând o forță de amortizare, disipându -se în acest fel de energie.

Fig. 2 Schema unui amortizor vâscos uzual
În general, amortizorii vâscoși sunt utilizați ca sisteme de control pasiv, dar prin controlul
asupra dimensiunilor orificiilor sau a vâscozității fluidului ei pot fi utilizați și în cadrul sistemelor de
control semi -active.

1.3.3 Amortizoare dependente de accelerații
1.3.3.1 Amortizori cu masă acordată

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
7/60

2017
Un amortizor cu masă acordată [TMD – Tuned Mass Damper] este un dispozitiv compus dintr –
o greutate, un resort și un amortizor atașate unei structuri cu rolul de a -i reduce răspunsul dinamic.
Frecvența amortizorului este acordată la o anumită frecvență a structurii în așa fel încât atunci când
este excitat, amortizorul va vibra defazat cu mișcarea structurii. Energia este disipată de forța de
inerție a amortizorului care acționează as upra structurii. Controlul vibrațiilor cu ajutorul amortizorilor
cu masă acordată poate fi pasiv, activ, semi -activ sau hibrid în funcție de existenta sau inexistența
unui dispozitiv de control activ conectat la masa acordată sau în funcție de strategiile de control ce
sunt adoptate pentru dispozitiv.

1.3.4 Tehnologia de izolare a bazei

Principiul fundamental al izolării bazei este acela de modifica răspunsul clădirii în așa fel încât
terenul să se miște sub clădire fără a transmite mișcarea acesteia . Sistemul ideal ar consta într -o
separație totală, dar, în realitate, este necesar să existe câteva zone de contact între structura și teren.
Prin urmare, se poate implementa un anumit control structural prin amplasarea unor dispozitive
speciale care permit decuplarea suprastructurii de fund ații. Amplasarea izolatorilor seismici duce la o
mărire a flexibilități bazei în plan orizontal, în scopul creșterii perioadei de vibrație, în așa fel încât
accelerația transmisă structurii sa fie considerabil redusă. Comparând variațiile deplasărilor și a le
forțelor ce acționează asupra structurii se constată că odată cu schimbarea perioadei de vibrație, la o
creștere a deplasărilor la nivelul bazei corespunde o scădere a forțelor c e acționează asupra
structurii .Izolarea seismică s e poate atinge cu sau fără amortizare adițională. În cazul în care
izolatorii sunt fără amortizare adițională, cum ar fi cazul dispozitivelor elastomere sau glisante,
aceștia se pot folosi cu scopul creșterii deformabilității urmată de o reducere corespunz ătoare a
acțiunii seismice asupra structurii. Pe de alta parte, atunci când se consideră o amortizare
suplimentară, dispozitivele cu amortizare ridicată sunt folosite pentru a disipa o parte a energiei de
intrare cu scopul reducerii amplitudinii deplasări lor sub mișcarea seismică.
Izolatorii pot fi clasificați, în funcție de materialele utilizate și modul de realizare, drept
dispozitive elastomere, dispozitive glisante (cu frecare), dispozitive elastoplastice, după cum se poate
observa și în tabelului 3.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
8/60

2017

Tabelul 3
Tip de dispozitiv Exemple
Dispozitive elastomere Reazeme de cauciuc natural sau neopren NRB
Reazeme de cauciuc cu amortizare ridicată HDRB
Reazeme de cauciuc cu miez de plumb LRB
Reazeme de cauciuc cu amorizare adițională ADRB
Reazeme de cauciuc armate cu fibre FRRB
Dispozitive glisante (cu frecare) Reazeme glisante plate
Reazeme glisante curbate, de tip pendul FPS
Dispozitive elasto -plastice Reazeme elasto -plastice

1.3.4.1 Dispozitive elastomere

Reazeme de cauciuc natural sau neopren [NRB – Natural Rubber Bearings] Sunt reazeme
realizate pentru industria construcțiilor, la fabricarea cărora se pot folosii compuși din cauciuc natural
sau neopren. Reazemele din cauciuc laminat reprezintă ce a mai simplă metodă de izolare, putând fi
utilizate în cazul mișcărilor seismice cu frecvențe ridicate.
Reazeme de cauciuc cu amortizare ridicată [HDRB – High Damping Rubber Bearings]
Reazemele sunt realizate prin unirea unor fâșii de neopren de plăci din oțel tratate cu teflon. Legătura
dintre cele doua materiale se realizează prin vulcanizare. Astfel se combină capacitățile de deformare
ale neoprenului cu capacitatea de amortizare a oțelului, realizându -se un sistem de izolare
performant.
Reazeme de cauci uc cu miez de plumb [LRB – Lead Rubber Bearings] Reazemele din cauciuc
laminat cu miez de plumb, pe lângă capacitatea de deplasare cerută de un izolator seismic, se mai
adaugă și capacitatea de disipare histeretică a energiei, datorită miezului de plumb. A stfel
amortizarea necesară sistemului de izolare poate fi incorporata într -o singură componentă compactă.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
9/60

2017

Fig. 2. Exemplu de sistem antiseismic elastomeric
a) support cu cauciuc natural; b) dispozitiv cu rulment elastomeric; c) rulment cu plumb și
cauciuc.

1.3.4.2 Dispozitive glisante cu frecare
Reazeme de tip pendul cu frecare [FPS – Friction Pendulum System]
Sistemul izolator combină acțiunea de lunecare cu forț a de revenire datorată geomet riei.
Acesta constă dintr -o articulație glisantă peste care este așezată o suprafață concavă din oțel
inoxidabil .Fața articulației glisante care este în contact cu suprafața sferică este căptușită cu un
material compozit cu un coeficient de frecare m ic.
Reazemele sunt închise și sigilate cu suprafața glisantă așezată cu fața în jos pentru a evita
contaminarea acesteia.
Reazemul acționează ca o siguranță, activată numai în cazul în care forța tăietoare are apare
pe suprafața glisantă este mai mare decâ t forța de frecare statică.
Odată aflată în mișcare, articulația glisantă se mișcă pe suprafața sferică, rezultând o ridicare a
masei, mișcare asemănându -se cu cea a unui pendul. Mișcarea cinematică și modul de operare al
reazemului este identic, indiferen t daca suprafața este poziționată cu fața în jos sau în sus.

1.3.4.3 Dispozitive elasto -plastice

Acest tip de reazem utilizează proprietățile de deformare plastică a metalelor puternic
disipative pentru obținerea efectului de izolare, precum și pentru a atinge amortizarea dorită.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
10/60

2017
CAP. II PREZENTAREA SISTEMELOR DE IZOLARE ANTISEISMICĂ
PRIN FRECARE

Majoritatea amortizorilor cu frecare produc o curba histeretică dreptunghiulară, stabilă, cu o
atenuare neglijabilă, deși, câțiva amortizori sunt configurați să producă o forță auto -centrantă și o
curbă histeretică diferită de cea dreptunghiulară având alunecarea proporțională cu depl asarea.
Pentru amortizarea interioara a structurii, deplasările sunt datorate deplasărilor relative de
nivel aplicate amortizorilor cu frecare. Aceasta necesită ca amortizorul să facă legătura între două
nivele consecutive, conexiunea realizându -se prin intermediul unor elemente structurale cum ar fi
diagonale sau panouri de perete cu rigiditate finită, legătura dintre acestea fiind făcută în serie cu
amortizorului.
Exista o mare varietate de amortizori cu frecare cu diverse materiale folosite pentr u
suprafețele de frecare, cum ar fi material pentru plăcutele de frână pe oțel, oțel pe oțel sau oțel pe
alamă și alte materiale.
Amortizorii cu frecare sunt utilizați frecvent în cadrul zăbrelelor diagonale, dar pot fi plasați
în poziție orizontală între capătul superior al unui perete și grinda de deasupra sa. Câteva exemple de
amortizori cu frecare utilizați ca sisteme de control pasiv sunt:

Amortizor cu frecare de tip Pall: este realizat dintr -un set de platbande cu găuri, tratate special
pentru a pro duce o foarte bună frecare. Aceste platbande sunt îmbinate între ele în așa fel încât la o
anumită valoare a încărcării este permisă glisarea unora peste celelalte, așa cu se poate observa și în
figura 3.

Fig. 3 Amortizor cu fr ecare tip Pall

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
11/60

2017
Dispozitiv de amortizare cu frecare tip D amptech: constă în trei plăci metalice și două
tampoane de frecare plasate între acestea, ca în figur a 4. Un șurub de înaltă rezistență pretensionat în
combinație cu discuri resort și șaibe întărite, sunt folosite pentru a menține f orța de compresiune pe
suprafețele de frecare. Cantitatea de energie disipată este proporțională cu rezistența la frecare
rezultată din glisarea și rotirea relativă dintre plăcile amortizorului.

Fig. 4 Dispozitiv de amortizare cu frecare tip D amptech

Legătur ă disipatoare de energie (EDR – Energy Dissipating Re straint): este un mecanism care
permite frecarea pe o zona de mișcare, cu blocaje la capetele aceste zone. Dispozitivul, în particular,
are doua calități care îl diferențiază de celelalte: capacitatea de auto -centrare ridicată și directa
proporționalitate între forța de frecare și deplasare.

Studiul privind izolarea antiseismică a structurilor
cu ajutorul sistemelor de izolare cu frecare
AMAN Alexandra, I.M.
Pag.
12/60

2017
Fig 5 Legătur ă disipatoare de energie