Programul : Ingineri e Mecanică Semnătura coordonatorului științific Studiu privind izolarea antiseismi că a structurilor cu ajutorul sistemelor de… [611376]

UNIVERSITATEA “EFTIMIE MURGU” DIN REȘIȚA
FACULTATEA DE MECANICĂ ȘI INGINERIA
MATERIALELOR

LUCRARE DE LICENȚĂ /
PROIECT DE DIPLOMĂ

Coordonator științific:
Ș.l.dr.ing. Vasile IANCU

Absolvent: [anonimizat]

2017
UNIVERSITATEA “EFTIMIE MURGU” DIN REȘIȚA
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI MANAGEMENT
Programul : Ingineri e Mecanică

Semnătura coordonatorului științific

Studiu privind izolarea
antiseismi că a structurilor cu
ajutorul sistemelor de izolare
cu frecare

Coordonator științific:
Ș.l.dr.ing. Vasile IANCU

Absolvent: [anonimizat]
2017

UNIVERSITATEA ”EFTIMIE MURGU ” DIN REȘIȚA
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI MAN AGEMENT
PROFILUL: INGINERIE MECANICĂ

Declarație de asumare a răspunderii

Subsemnatul Alexandra AMAN absolvent: [anonimizat] “Eftimie Murgu” din Reșița, declar că lucrarea de licență este elaborată exclusiv de
mine , pe baza efortului personal de documentare, cercetare, proiectare și redactare. În cadrul
lucrării precizez sursa tuturor ideilor, datelor și formulărilor care nu îmi aparțin, conform
normelor de citare a surselor.
Declar că toate afirmați ile din lucrare referitoare la datele și informațiile analizate, la
metodele prin care acestea au fost obținute și la sursele din care le -am obținut sunt adevărate.
Înțeleg că falsificarea datelor și a informațiilor analizate în lucrare constituie fraudă ș i este
sancționată conform regulamentelor în vigoare. De asemenea, am luat la cunoș tință conținutul
Art.7 și Art.9 din Metodologia de organizare și desfășurare a examen elor de finalizare a studiilor
de licență și mast er la Universitatea „Eftimie Murgu” di n Reșița promoțiile anului 2017.

Data: Semnătura:
…………………………… ……………………………..

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 3

CUPRINS

Lista notațiilor
………………………………………………………………. 5
Lista figurilor
………………………………………………………………. 6
Lista tabelelor
………………………………………………………………. 7
Introducere
…………………………………………………………………. 4
Capitolul 1. Elemente de izolare seismică cu frecare
………………….. 5
1.1. Necesitatea izolării seismice a structurilor
………………………… 5
1.2. Metode de izolare seismică cu elemente cu frecare
……………….. . 1
0
1.3. Tipuri de elemente de izolare seismică cu fcrecare (2-3 cu
descriere și desene) .. .. 1
8
1.3.1. Element de izolare 1
………………………………………….. 2
8
1.3.2. Element de izolare 2
…………………………………………..
1.3.3. Element de izolare 3
…………………………………………..
Capitolul 2. Determinarea analitică a caracteristicilor mecanice a
elementelor de izolare cu frecare ……..……..……..……..……..………. 3
5
2.1. Caracteristicile mecanice ale elementelor de izolare
………………….. 5
2.2. Caracteristicile reologice ale elementelor de izolare
………………….. 1
0
2.3. Modulul de elasticitate static
..……………………………………….. 1
8
2.4. Modulul de elasticitate dinamic
…………………………………….. 2
8

Capitolul 3. Determinarea și realizarea experimentală a unui
element de izolare seismică din neopren
…………………..………………….. ……… 3
5
3.1. Date despre programul FEM (utilizat ) 3

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 4

……………………………….. 5
3.2. Analiza unui element de izolare seismică clasic cu ajutorul
FEM (unul din cele descrise la capitolul 1)
………………………………………… 1
0
3.3. Analiza FEM a unui element de izolare nou (plecând de la cel
clasic analizat)
…………………………………………… ………………………….. 1
8
Concluzii
…………………………………………………………………….. 3
5
Anexe (dacă există)
………………………………………..……………….. 3
5
Bibliografie
………………………………………………………………….. 3
5

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 5

LISTA NOTAȚIILOR (ABREVIERILOR)

A aria transversală
α coeficientul de dilatare liniară

PI
B Produsul intern brut

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 6

LISTA FIGURILOR

Fig. 1.1. Modelul internațional al huilei 2
5
Fig. 1.2. Modelul internațional al huilei 2
8
Fig. 1.3. Modelul internațional al huilei 3
5
Fig. 1.4. Modelul internațional al huilei 4
5
Fig. 2.1. Modelul internațional al huilei 2
5
Fig. 2.2. Modelul internațional al huilei 2
8
Fig. 2.3. Modelul internațional al huilei 3
5
Fig. 2.4. Modelul internațional al huilei 4
5
Fig. 3.1. Modelul internațional al huilei 2
5
Fig. 3.2. Modelul internațional al huilei 2
8
Fig. 3.3. Modelul internațional al huilei 3
5
Fig. 3.4. Modelul internațional al huilei 4
5

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 7

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 8

LISTA TABELELOR

Tab. 1.1. Modelul internațional al huilei
…………………………………….. 2
5
Tab. 1.2. Modelul internațional al huilei
…………………………………….. 2
8
Tab. 1.3. Modelul internațional al huilei
…………………………………….. 3
5
Tab. 1.4. Modelul internațional al huilei
…………………………………….. 4
5
Tab. 2.1. Modelul internațional al huilei 2
5
Tab. 2.2. Modelul internațional al huilei 2
8
Tab. 2.3. Modelul internațional al huilei 3
5
Tab. 2.4. Modelul internațional al huilei 4
5
Tab. 3.1. Modelul internațional al huilei 2
5
Tab. 3.2. Modelul internațional al huilei 2
8
Tab. 3.3. Modelul internațional al huilei 3
5
Tab. 3.4. Modelul internațional al huilei 4
5

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 9

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 10

INTRODUCERE

Numărul total de pagini al lucrării se recomandă să fie de minim 50 .

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 11

Capitolul 1 . Noțiuni generale privind sistemele de izolare
antiseismice

1.1 Scopul sistemelor de izolare antiseismică

Principalul scop al sistemelor de izolare antiseismică îl reprezintă
protejarea structurilor față de acțiunea distructivă a cutremurelor.
Pentru a putea ameliora efectele seismelor este necesară cunoașterea
tuturor factorilor implicați in acest fenomen.
Crusta pământului 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;
– subducție.
Principalele plăci tectonice, precum și direcțiile lor de deplasare sunt
prezentate în figura 1.1.

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

Energia pe care o eliberează c iocnirea acestor plăci se extinde pe zone
întinse de la suprafața terestră. Șocul seismic se produce ca urmare a unor fracturi

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 12

ale scoarței care vin in contact într -un plan mai slab în care s -au acumulat în
decursul timpului deformării elastice extrem de m ari. Eliberarea bruscă a energiei
de deformare, transformată instantaneu în energie cinetică, generează unde elastice
care se propagă radial în toate direcțiile, iar prin procese de reflexie și de refracție
ajung la suprafața Pământului. Punctul teoretic î n care se produce ruptura inițială (în
realitate există o zonă de fractura) se numeste focar sau hipocentru. Punctul situat la
suprafața Pământului, pe verticala focarului, poartă denumirea de epicentrul
cutremurului
Cutremurele violente generate de fract ura rocilor se datorează
mișcărilor produse în lungul unui plan de rupere, însoțite de eliberarea bruscă a unei
energii imense. Aceste planuri de rupere se numesc falii, iar în momentul ruperii
instantanee, capacitatea rocii respective a atins valoarea lim ită peste care nu mai
este capabilă să mai acumuleze deformații elastice sau energie elastică de
deformație. În general cutremurele se produc în lungul aceleași falii, ceea ce
caracterizează fenomenul de persistență a genezei mișcărilor seismice. Teoria
plăcilor tectonice susține ca prin comprimarea puternică, care se manifestă la
contactul dintre plăcile continentale, se produc deplasări mari fie datorită cedărilor
în urma strivirii rocilor, fie datorită fenomenului de subducție (alunecarea relativă a
unei plăci sub cealaltă). Energia eliberată brusc din focar în momentul producerii
unui dezechilibru tectonic se propagă în toate direcțiile sub forma unor unde
elastice, denumite unde seismice.
Oscilația seismică a terenului se transmite construcțiilor care raspund printr -o
oscilație proprie depinzând de caracteristicile lor dinamice -constructive, rezistă sau
nu în mod corespunzător la mișcarea seismică în special în funcție de capacitatea lor
de a prelua forțele laterale de inerție induse de cutremur.
Există diferite aparate pentru măsurarea caracteristicelor cutremurelor. Dintre
acestea cele mai importante sunt accelerografele și seismografele .
Cutremurele sunt înregistrate de seismografe prin generarea unei diagrame
numită seismogramă. Seismograful are o bază care se fixează ferm în pământ, și o

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 13

greutate grea care atârnă liber. Atunci când un cutremur produce m ișcări ale solului,
baza seismografului se mișcă odată cu acesta în schimb greutatea atârnată ramâne
fixă, arcul sau șnurul de legătură înregistrează mișcarea relativă a bazei față de
greutatea suspendată .
În figura 1.2 este prezentat un seismograf :

Fig. 1.2 Seismograf
Severitatea unui cutremur este caracterizată de daunele pe care acesta le
provoacă și de modul și de forța cu care acesta se manifestă. Calcularea mărimii
cutremurelor a fost posibilă odată cu apariția seismografelor. Pană la apariția
aparatelor de măsurare, severitatea unui cutremur era evaluată în funcție de efectele
produse la suprafața terenului, efecte ce diferă de la un amplasament la altul și de la
o zonă la alta.
Intensitatea seismică descrie efectele destructive pe care un cut remur le are
asupra construcțiilor, modificările de la suprafața liberă a terenului și impactul
asupra comportamentului oamenilor, iar magnitudinea seismică măsoara energia
eliberată în focar în momentul declanșării cutremurului.
Cei doi parametri măsoară severitatea unui cutremur din perspective diferite,
cu toate acestea magnitudinea este frecvent confundată cu intensitatea. Diferența
dintre magnitudine și intensitate este aceea că magnitudinea exprimă severitatea
unui cutremur din punct de vedere obiecti v, măsurând energia seismică pe o scară
logaritmică zecimală, iar intensitatea descrie severitatea unui seism din punct de
vedere subiectiv, în funcție de efectele înregistrate in diferite amplasamente. În

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 14

consecință mărimea magnitudinii pentru un evenimen t seismic este unică, în schimb
mărimea intensității este variabilă pentru același eveniment, fiind exprimată în
funcție de efectele pe diferite amplasamente.
Cele mai cunoscute scări de măsurare sunt Scara Richter (pentru
magnitudinea cutremurelor) și Scara Mercalli (pentru intensitatea cutremurelor).
Scara Richter a fost propus ă în 1935 de Charles Richter și Beno Gutenberg ,
de la California Institute of Technology, pentru a măsura puterea unui cutremur .
Este o scară logaritmică , pentru că magnitudinea, după Richter, corespunde
logaritmului măsurării amplitudinii undelor de volum (de tip P și S), la 100 km de
epicentru și este g radată de la 1 la 9. De obicei intensitatea cutremurelor nu se
exprimă în numere întregi, ci în numere fracționare.
Deoarece scara Richter este o scară logaritmică, o modificare de un grad pe
scara Richter este corelată cu o modificare de 10 ori a amplitud inii undelor seismice
și de aproximativ 30 de ori a energiei eliberată de cutremur.
Scara Mercalli este un etalon cu 12 grade exprimate prin litere romane.
Cutremurele superficiale, care se simt dar nu provoacă daune, sunt încadrate în
gradele I – V. Între gradele VI și XII sunt încadrate cutremurele puternice cu un
potențial distrugător ridicat sau total. Astfel, în funcție de principalele efecte
produse de seisme, scara Mercalli este elaborată după cum urmează :
I – Instrumental : este înregistrat de seis mografe dar nu se simte.
II – Slab : este perceput de foarte puține persoane, în general la etajele
superioare ale clădirilor.
III – Ușor : este perceput de oamenii din interiorul clădirilor, mai ales la
etajele superioare ; candelabrele si unele obiecte u șoare se pot clinti.
IV – Moderat : este perceput de toate persoanele din interiorul clădirilor ;
pereții trosnesc, ușile, ferestrele și alte obiecte se mișcă dar fără a se produce
pagube. La exterior este mai puțin perceptibil.

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 15

V – Destul de puternic : este perceput de toata lumea, atât la exterior cât și în
interiorul clădirilor, dar puțini se sperie și fug ; se pot sparge pahare, farfurii și alte
obiecte iar construcțiile pot suferii degradări ușoare.
VI – Puternic : mișcarea este resimțită de toată l umea producând panică ;
ferestrele se sparg, mobila se deplasează, iar clădirile slab executate pot fi avariate.
VII – Foarte puternic : mișcarea produce panică si îngreuneaza deplasarea
oamenilor ; pagubele sunt neînsemnate în cazul clădirilor executate c onform
normelor iar construcțiile slab executate suferă avarii considerabile; mișcarea se
simte și din automobile.
VIII – Destructiv : se înregistrează avarii considerabile la clădirile obișnuite și
prăbușirea clădirilor slab efectuate. Se pot dărâma coșur i, stivurile de marfă,
monumente, etc.
IX – Violent : Panica este generală. Se înregistrează avarii însemnate și în
cazul structurilor proiectate corespunzător, clădirile rezistente se înclină, apar
crăpături în pământ iar conductele subterane se rup.
X – Intens : majoritatea clădirilor cu structuri de rezistență sunt avariate și
chiar dărâmate, inclusiv fundațiile acestora ; se produc alunecări de teren.
XI – Extrem : Puține structuri de rezistență rămân nedistruse. Pămantul se
crapă, alunecă și suferă deformări.
XII – Catastrofal : Distrugerea este totală. Pămantul se mișcă în valuri iar
obiectele sunt aruncate în aer. []
După lungi perioade de observare componentele cutremurelor au fost
determinate de către cercetători, cum ar fi existența unui vârf d e accelerare a
mișcării solului, o deplasare mare pe verticală și o perioadă lungă de unde seismice.
Sistemele de izolare antiseismică atenuează efectul de distrugere
produs de cutremure prin reducerea accelerației, ale alunecărilor dintre etaje și
reduc erea forțelor suportate de structură.

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 16

1.2 Seismicitatea României

România prezintă un risc seismic major în privința cutremurelor între 6 – 7
grade pe scara Richter. Dintre aceste arii epicentrale, zona seismică Vrancea este
cea mai importantă, prin energia cutremurelor produse, extinderea ariei lor de
macroseismicitate și caracterul persistent și concentrat al epicentrelor.
În figura 1.3 este prezentată harta seismică a României

Fig.1.3 Harta seismică a României
http://nutremurlacutremur.ro/index_htm_files/1002.jpg
Pe teritoriul României se manifestă, în funcție de adâncime, mai multe
categorii de cutremure:
• superficiale – hipocentrul se situează la o adâncime cuprinsă între 0 și 5 k m
de la suprafața pământului;
• crustale sau normale – hipocentrul se situează la o adâncime cuprinsă între 5
și 30 km de la suprafața pământului, ajungând până la 60 km în zona Vrancea;
• intermediare – hipocentrul se situează la o adâncime cuprinsă între 60 -70
km și 100 -220 km de la suprafața pământului, specifice numai zonei Vrancea. Cele
mai puternice și care afectează o arie întinsă sunt cutremurele de tip intermediar,
localizate la curbura munților Carpați, în zona Vrancea. Potrivit cercetărilo r
specialiștilor, seismele intermediare din Vrancea nu cauzează pagube materiale

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 17

clădirilor construite în ultimii ani, excepție fac clădirile deja avariate ori care sunt
vulnerabile în vreun fel. []

1.2.1 Istoria cutremurelor importante

Cutremurul din Vrancea din anul 1802 , care a avut loc în
ziua 26 octombrie 1802 a fost un cutremur de adâncime, cu o magnitudine de 7,9 –
8,2 grade pe scara Ric hter cu epicentrul în zona Vrancea. A fost cel mai puternic
cutremur vrâncean care a fost înregistrat. A fost simțit din Moscova până
în Istanbul . În București s -au prăbușit toate turlele bisericilor iar Turnul Colței s-a
rupt de la jumătate.
Cutremurul din 1940 a fost un cutremur cu o magnitudine de 7,4 grade pe
scara Richter , produs la ora 3:39 din 10 noiembrie 1940, cu epicentrul în zona
Vrancea la o adâncime de c irca 133 km. A fost primul mare cutremur din România
contemporană. A durat 3 minute. Efectele lui au fost devastatoare în centrul și sudul
Moldovei, dar și în Muntenia. Numărul victimelor a fost es timat la 1000 de morți
și 4000 de răniți, majoritatea în Moldova. Din cauza co ntextului în care s -a produs,
cifra exactă a victimelor nu a fost cunoscută, informațiile fiind cenzurate în timpul
războiului. Cutremurul s -a simțit și în București, unde au existat circa 300 de morți,
majoritatea la prăbușirea blocului Carlton, structură cu 12 etaje din beton armat,
foarte modernă la acea vreme. Multe alte blocuri din București au fost considerabil
deteriorate. După cutremur Asociația Generală a Inginerilor din România a
întreprins un studiu detaliat al efectului cutremurului asupra clădirilor din beton
armat. Principala concluzie a fost că normele pentru calculul clădirilor din beton
armat, practic copiate după cele germane, nu prevedeau calculul la eforturi
seismice, Germania nefiind situată într -o zonă de risc seismic. Au fost elaborate noi
norme care au fost aplicate la toate clădirile construite în perioada postbelică.
Cutremurul din 1977 (Cutremurul din '77 ) a fost un puternic cutremur care s –
a produs la ora 21:22 în data de 4 martie 1977 , cu efecte devastatoare

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 18

asupra României . A avut o magnitudine de 7,2 grade pe scara Richter și o durată de
circa 56 de secunde , 1.570 de victime, din care 1.391 numai în București . La
nivelul întregii țări au fost circa 11.300 de răniți și aproximativ 35.000 de locuințe
s-au prăbușit. Majoritatea pagubelor materiale s -au concentrat la București unde
peste 33 de clădiri și blocuri mari s -au prăbușit.

Fig. 1. 4 Biserica Enei după cutremur
Cutremurul a afectat de asemenea și Bulgaria . În orașul Sviștov , trei blocuri
de locuinte au fost distruse și peste 100 de oameni au fost uciși.
Cutremur ul din 1986 a fost un cutremur cu magnitudinea de 7.1 grade pe
scara Richter.A afectat România , Bulgaria , Serbia , Republica Moldova și Ucraina .A
distrus 55.000 case, omorând peste 150 de oameni, și rănind alți 558.
Cutremurele din 1990, au fost 3 cutremure (30/31 mai) cu magnitudini de 6.9,
6.4 respectiv 6.1. În România, au fost 13 morți și 362 răniți. Au mai
afectat Republica Moldova , Bulgaria și Ucraina . []

1.3 Conceptul sistemelor de izolare antseismică

În prezent, protejarea structurilor în zonele cu risc ridicat de seism prin
utilizarea de sisteme antiseismice moderne reprezintă un strict necesar, se folosesc

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 19

preponderent sistemele pasive de control al vibrațiilor, tehnici de disipare a energiei
(amortizoare seismice) și în special sistemele de izolare a bazei care sunt inserate de
obicei la baza structurilor sau la o anumită înălțime între etaje .
Sistemele de izolare decuplează clădirea sau structura clădirii de
componentele mișcării orizontale a solului prin interpunerea unor elemente
structurale cu rigiditate scăzută pe orizontală între structură și fundație, sau prin
disiparea energiei seismice prin inte rpunerea unor amortizoare seismice,
conferindui acesteia o frecvență proprie mai mică decât cea a fundației sau a solului
și de asemenea reducând energia acumulată în structură.
1.1

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 răspuns 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:
( ) 1.2

În care: S d(T1) – ordonata spectrului de proiectare corespunzătoare perioadei
fundamentale T 1;

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 20

T1 – perioada f undamentală de vibrație a structurii pentru o mișcare
laterală 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 corecție, care ține seama de contribuția modului propriu
fundamental prin masa modală efectivă asociată acestuia, egal cu 0.85 daca T 1 ≤ 2T c
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:

∑ 1.3

Unde:
Fi – forța orizontală care acționează la etajul i
si, sj – deplasările maselor m i și respectiv m j conformt deformatei
corespunzătoare modului fundamental de vibrație;
mi, m j – mase de nivel.
In mod uzual, rațiunea ce stă la baza îmbunătățirii comportării structurilor,
prin utilizarea tehnologiilor speciale de creștere a amortizării, este fundamentată de
ecuația generală de echilibru dinamic al structurilor:
̈( ) ̇( ) ( ) ( ) ( ( )) ̈ ( ) 1.4

Unde :
̈ (t), ̇(t), q(t) – reprezintă răspunsul structural în termeni de deplasare,
viteză și accelerațite;
M – masa sistemului; C – constantă de amortizare a sistemului; ̈s –
accelerația 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

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 21

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.

1.4 Caracterizarea sistemelor de izolare antiseismică

O caracterizare a acestor dispozitive poate fi făcută din punctul de vedere al
mecanismului de izolare sau amortizare care poate fi dependent de deplasare, de
viteză, de accelerație sau al unei combinații dintre acestea, făcând referire la
modificarea părții corespunzătoare din ecuația de mișcare.
Ca și caracterizare generală putem s pune că sistemele de izolare antiseismică
se împart in următoarele categorii :

Fig. 1.5 Caracterizarea sistemelor de amortizare seismică

Sistemul de izolare a bazei este o metod ă de izolare antiseismică a cărei
principiu fundamental este acela de a mod ifica 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 Amortizare
Izolare seismic ă
Tehnologia de
izolare a bazei Tehnici de
retrofitare Tehnologii
disipative
Amortizoare
histeretice Amortizoare
vâscoelastice Amortizoare
magnetoreolice Amortizoare
dependente de
accelerație Amortizoare
dependente de
viteză

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 22

contact între structura și teren. Prin urmare, se poate implementa un anumit control
structural prin amplasarea unor dispozitive speciale care permit decuplarea
suprastructurii de fundații. Amplasarea izolatorilor seismici duce la o mărire a
flexibilități bazei în plan orizontal, în scopul cre șterii perioadei de vibrație, în așa
fel încât accelerația transmisă structurii sa fie considerabil redusă.
Sisteme de disipare a energiei seismice prin controlul daunelor la elementele
structurale prin filtrarea acțiunii cu ajutorul unor dispozitive speci ale. 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 capacitate a de
disipare de energie și amortizarea răspunsului.
Comparând variațiile deplasărilor și ale forțelor ce acționează asupra
structurii se constată că odată cu schimbarea perioadei de vibrație, la o creștere a
deplasărilor la nivelul bazei corespunde o scăd ere a forțelor ce acționează asupra
structurii.Izolarea seismică se 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 c u scopul creșterii deformabilității
urmată de o reducere corespunzătoare 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 deplasărilor sub mișcarea seismică.

Fig. 1.6 .Exemple de sisteme de izolare antiseismică
a)Sistem de izolare a bazei. b)Amortizoare cu lichid vâscos. c)amortizor
dinamic

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 23

1.5 Tipuri de sisteme de izolare antiseismică

În tabelul 1.1 sunt prezentate tipurile de sisteme de izolare.

Tabelul 1.1
Amortizoare dependente de deplasare Amortizoare liniare
Amortizoare
histeretice Amortizoare
metalice
Amortizoare cu
frecare
Amortizoare dependente de viteză 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

1.5.1 Amortizoare dependente de deplasare

1.5.1.1 Dispozitive care folosesc proprietățile de ductilitate ale metalelor :
Comportarea histeretică 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
disipar e care absoarbe energia seismica utilizând proprietățile de deformare plastică
a metalelor puternic disipative precum otelul, plumbul și câteva aliaje speciale. În
figura 1.7 sunt prezentate tipuri de amortizori care folosesc materiale ductile.

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 24

Fig. 1.7 Exemple de amortizori care folosesc materiale ductile
[Studiul unor metode de atenuare a actiunii seismice asupra constructiilor –
Cristian – Lucian Ghindea ]

Avantaje :
 Stabilitate si durabilitate ridicată;
 Cicluri stabile pentru curba histeretică;
 Sens ibilitate limitată la schimbările condițiilor mediului înconjurător;
 Controlul incărcării maxime transferate structurii ca urmare a unei
consolidari scazute;
 Capacitate mare de disipare de energie pentru deplasări relativ mici;
 Ușurinta înlocuirii element elor;
 Comportare multi -direcțională.

Dezavantaje :
 In cazul sudurilor, acestea au o comportare casantă;
 Ductilitatea dispozitivului este puternic influențată de forma acestuia.
Amortizorii cu comportare plastică la forță tăietoare sau la încovoiere se pot
utiliza drept conectori pentru panouri de pereți în consolă sau pot fi amplasați pe
structuri metalice.
1.5.1.2 Dispozitive cu frecare

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 25

Acest tip de dispozitiv poate disipa o mare cantitate de energie prin frecarea
dintre două suprafețe glisante. Astfel, i ntroducerea 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.
Avanta je:
 Simplitate din punctul de vedere al materialelor, realizării și
implementării;
 Eficiența in reducerea pagubelor datorate cutremurelor;
 Economie din punct de vedere al costurilor și timpului de instalare;
 Flexibilitatea aplicării la structuri din beton , oțel, zidărie și cadre de
lemn;
 In lucru au deplasări limitate;
 Controlul flambajului in contravantuirile comprimate;
 Curba histereticpă stabilă;
 Sensibilitate scăzută la schimbări ale condițiilor de mediu;
 Valori mari ale energiei disipate raportate la valori mici ale
deplasărilor;
 Posibilitate de reutilizare.
Dezavantaje :
 Necesitatea unei întrețineri regulate, datorită faptului că prin utilizare,
interfața de frecare poate suferii modificări și implicit rezultă modificări în
comportarea sistemului;
 Uzura mecanică a suprafețelor de contact după numeroase cicluri de
încărcare;
 Dificultăti in identificarea forței de frecare după instalare;
 Imperfecțiuni ale suprafetelor.
În figura 1.8 este reprezentat schematic un dispozitiv de amortizare cu
frecare :

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 26

Fig. 1.8 Dispozitive de amortizare cu frecare

1.5.2 Amortizoare dependente de viteză

1.5.2.1 Amortizorul vâscos, reprezentat in figura 1.9, constă într -un cilindru
închis ce conține un fluid vâscos. Fluidul poate fi silicon, ulei sau alt fluid cu
vâscozit ate controlabilă. Un braț al pistonului este conectat la un element cu orificii.
Prin forțarea fluidului prin găurile capului de piston se creează o presiune rezultând
o forță de amortizare, disipându -se în acest fel de energie.

Fig. 1.9 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.

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 27

Avantaje :
 curba histeretica stabila;
 functiunea de transmitere a socurilor;
 se pot realiza teste experimentale;
 stabilitate si durabilitate ridicata;
 usor de implementat;
 sensibilitate limitata la schimbarea conditiilor de mediu.
Dezavantaje
 necesitatea de a se produce deplasari mari pentru o comportare optima;
 fenomenul de uzura si imbatranire a fluidului;
 necesitatea existentei unei forte de revenire.

1.5.3 Amortizori dependenți de accelerații

1.5.3.1 Amortizori cu masă acordată
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 st ructurii 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 asupra structurii. Controlul vibrațiilor cu ajutorul
amortizorilor cu masă ac ordată 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.
În figura 1.10 este prezentată o clădire din Taiwan în care este inserat acest
tip de dispozitiv :

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 28

Fig.1 .10 Amortizori cu masă acordată
[http://skyscraper.org/EXHIBITIONS/TEN_TOPS/toppedout.php ]
Utilizare :
Structuri inalte si zvelte, structuri cu deschideri mari ( Turnuri, cladiri,
poduri, piloni pentru poduri, cosuri de fum) care au tendinta de fi actionate de vant
sau de cutremur corespunzator unui mod propriu de vibratie;
Scari, tribune, poduri pietonale actionate de mersul sau sariturile oamenilor;
Structuri metalice, ca de exemplu planseele uzinelor excitate corespunzator
uneia din perioadele proprii de vibratie de masini, cum ar fi cazul centrifugilor.

1.5.4 Tehnologia de izolare a bazei
Sistemul de izolare a bazei se bazează pe reducerea energiei care intră în
structură, prin separarea fundației de sol cu ajutorul unor dispozitive mecanice
interpuse între structura clădirii și sol, dup ă cum se prezintă în figura următoare :

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 29

Fig.1.11 Sistemul de izolare a bazei
[Studiul unor metode de atenuare a acțiunii seism ice asupra construcțiilor –
Cristian – Lucian Ghindea ]

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 poat e observa și în tabelului 1.2.

Tabelul 1.2
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

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 30

1.5.4.1 Dispozitive glisante cu frecare

Reazeme de tip pendul cu frecare [FPS – Friction Pendulum System]
Sistemul izolator combină acțiunea de lunecare cu forța de revenire datorată
geometriei.
În figura 1.12 este prezentat un reazem pendul cu frecare :

Fig. 1.12 Reazeme de tip pendul cu frecare
[http://www.oiles.co.jp/en/menshin/building/menshin/products/fps/ ]
Principalele proprietăți și avantaje ale izolatorilor de tip pendul cu frecare
sunt:
– Perioada de vibrație este independentă de masa suportată;
– Forța lateral ă este direct proporțională cu greutatea cu care este încărcat
sistemul de izolatori și, în consecință, forța este dezvoltată în centrul maselor,
minimizând astfel efectele torsiunii;
– Se comportă rigid la acțiuni din vânt și seism de intensitate redusă. Acest
lucru se datorează frecării din interiorul izolatorului, care nu permite mișcarea decât
atunci când este depășită valoarea așa -numitei limite de frecare statică;
– Au capacitate mare de preluare a forțelor verticale. Datorită realizării lor,
izolat orii nu prezintă efecte considerabile la deplasări mari;
– Proprietățile de flexibilitate și de absorbție a energiei nu sunt interconectate.
Flexibilitatea este controlată prin geometria sistemului (raza), iar cea de -a doua

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 31

proprietate este dictată de fre carea dintre suprafețe. Aceste proprietăți conduc la
posibilitatea realizării unui design optim al izolatorilor de tip pendul cu frecare;
– Curba histeretică este stabilă;
– Costuri de realizare și întreținere sunt relativ scăzute;
– Efectele îmbătrânir ii și temperatura nu afectează proprietățile mecanice ale
izolatorului.
Principalul dezavantaj este reprezentat de degradarea suprafețelor de glisare
după câteva cicluri de încărcare, dar, având în vedere că ele se pun în mișcare doar
la apariția unui cutr emur, atunci putem afirma că ele sunt proiectate pentru întreaga
durată de viață a construcției.

1.5.4.2 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.
În figur a 1.13 sunt prezentate dispozitivele elasto -plastice de izolare
antiseismică :

Fig.1.13 Dispozitive elasto -plastice
[http://www.sommasrl.eu/en/products/dispositivi -antisismici/dispositivi –
dipendenti -dallo -spostamento -isteretici -in-acciaio -ed-elastici ]

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 32

Capitolul II Prezentarea sistemelor de izolare antiseismică prin
frecare

Încă de la începutul anilor 80 ’ s-au făcut eforturi în dezvoltarea și aplicarea
sistemelor și dispozitivelor de control pasiv antiseismic, sisteme de izolare și de
disipare a energiei. În anul 2015 se găsesc peste 15.000 de structuri în lume
protejate prin aceste sisteme de izolare anti seismică, majoritatea fiind aplicate în
Japonia.
În figura 2.1 este prezentată ponderea clădirilor izolate antiseismic la nivel
mondial.

Fig.2.1. Ponderea cl ădirilor izolate antiseismic la nivel mondial
[https://en.wikipedia.org/wiki/anti _seismic_isolations ]

2.1 Sisteme de izolare antiseismică a bazei utilizând reazeme de tip pendul cu
frecare

Sistemele de izolare a bazei au devenit un element important pentru
consolidarea structurii împotriva cutremurelor. Un tip de sistem de izolarea bazei 01000200030004000500060007000
Japonia China SUA Rusia Italia Taiwan Noua
ZeelandaArmeniaStructuri izolate antiseismic la nivel mondial
Japonia
China
SUA
Rusia
Italia
Taiwan
Noua Zeelanda
Armenia

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 33

este reazemul cu pendul de frecare, 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 mic.
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 decât 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 oper are al reazemului este identic, indiferent daca suprafața
este poziționată cu fața în jos sau în sus.
Acest tip de sistem are avantajul că se centrează singur dacă au loc deplasări
în timpul seismului, au potențial ridicat de izolare , cost redus, proprie tățile sale nu
sunt afectate de temperatură, aceste reazeme oferă avantaje ce pot îndeplini diverse
nesesități ale clădirilor, podurilor și structurilor industriale.
Conceptul reazemului tip pendul cu frecare este prezentat în figura 2.2 :

Fig. 2.2 Conceptul reazemelor tip pendul cu frecare

2.1.1 Izolator de tip pendul cu o suprafață de lunecare.

Aceste dispozitive sunt formate dintr -o suprafață concavă din oțel căptușită
cu un disc de glisare aflată în contact cu articulația. În figura 2.3 este reprezentat
schematic construcția unui astfel de sistem :

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 34

Fig. 2. 3 Secțiune reazem tip pendul cu fricțiune

În principiu, reazemul este alcătuit din următoarele componente :
– placă inferioară care este fixată pe structură pe o parte, iar pe partea opusă este
inserat în suprafața concavă un disc din material special numit Xlide, patentat de
ALGA, pentru micșorarea frecării dintre elemente.
– articulație glisantă, acoperită cu un compo zit de autoungere pe bază de Teflon
având o suprafață convexă este aflată în contact cu suprafața concavă astfel
încât să permită mișcarea reazemului.
– placa superioară care este conectată cu suprastructura la un capăt, iar la capătul
opus cu articulația glisantă.
Intervalul de funcționare al reazemului este determinat de raza de curbură a
suprafeței concave, astfel încât atunci când forța seismului nu depășește forța de
frecare , reazemul se comportă ca o structură normală, odată ce forța de frecare este
depășită, structura răspunde la forțele seismice în funcție de răspunsul dinamic de
amortizare al reazemului. În timpul unui cutremur articulația glisantă alunecă pe
suprafața concavă astfel încât structura suportată va avea o mișcare lină de
pendulare.
Aceste dispozitive sunt proiectate special în funcție de cerințele de încărcare
a structurii, capacitatea de deplasare seismică, condițiile solului și mărimea

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 35

structurii suportate. Reazemele pot fi proiectate pentru diferite magnitudini prin
ajustarea curbur ii și a diametrului suprafeței concave, în mod uzual aceste
dispozitive au un diametru de 90cm , înălțime 20 cm și o greutate de 900 kg, dar
pentru structuri mai mari cum ar fi podul Bencia – Martinez, acesta măsoară în
diametru 3.96 m, greutate de 18 t av ând intervalul de deplasare până la 135 cm,
fiind o excepție.
Pentru a putea caracteriza capacitatea disipativă a dispozitivului, într -o
analiză lineară multimodală se folosește coeficientul echivalent de amortizare ξ.
Deformațiile și forțele care acționează pe suprafața de glisare sunt prezentate în
figura 2.4:

Fig.2.4 Deformațiile și forțele care acționează pe suprafața de glisare

n – forța normală care acționează asupra reazemului
fµ – forța de frecare
fr – forța de rezistență a reazemului

Principalele componente utilizate la modelarea reazemului tip pendul cu
frecare sunt forța normală ,,n ” și coeficientul de frecare µ.
Răspunsul reazemului poate fi modelat ținând cont de mișcarea pendului,
forța de rezistență a reazemului ,,f r” și frecarea dintre masă și suprafața de glisare
„fµ” utilizând relația :
( )
2.1

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 36

2.2
( ̇) 2.3

Unde :
R – raza suprafe ței concave
δ – deplasarea
̇ – viteza de alunecare
sgn(δ) – funcția signum egală cu +1 sau -1 în funcție de δ, dacă este pozitiv
sau negativ.
Deplasarea pendulu i de glisare produce o forță dinamică de fricțiune ce oferă
capacitatea de amortizarea prin absorția energiei cutremurului.
Intervalul de izolare a sistemului este calculat cu formula :
√
2.4
Unde :
T – intervalul de i zolare a structurii, în secunde
R – raza suprafe ței concave de glisare
g – accelerația gravitațională
Principalii parametrii sunt :
µ – coeficientul de frecare dinamic ă
δ – deplasarea orizonatală
W – încărcarea pe verticală
K – rigiditatea orizontală a sistemului

2.5

Keff – rigiditatea orizontală efectivă a sistemului

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 37

( )
2.6
H – încărcarea orizontală dată de dispozitiv
2.7
Teff – perioada de izolare efectivă a structurii
ξeff – amortizare efectivă a sistemului
[

] 2.8

2.1.2 Izolator de tip pendul cu frecvență variabilă (VFPI)

Izolatorul de tip pendul cu frecvență variabilă combină avantajele pe care le
oferă izolatorii de tip pendul cu frecare (FP), dar elimină o parte dintre
dezavantajele prezentate de aceste s isteme. Suprafața de lunecare nu este nici plană,
nici circulară, s -a propus ca aceasta să fie derivată dintr -o elipsă, pentru a asigura o
schimbare progresivă a perioadei.
Geometria este dată de relația :
√ ( )
( ) 2.9
unde :
b – parametru geometric pentru semiaxa mic ă
d – valarea inițială a semiaxei mari
sign(x) – funcția de semn încorporată pentru a menține simetria față de axa
verticală
x – deplasarea pe orizontală la un moment dat
( ) *

2.10

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 38

Frecvența izolatorului este dată de relația
( )
( ) √ 2.11
unde:
ωi2 – pătratul frecvenței inițiale a izolatorului la deplasare nulă
( ) 2.12
Perioada inițială a izolatorului este :
√
2.13

2.1.3 Izolator conic de tip pendul cu frecare (CFPI)

Izolatorul conic reprezintă un tip de izolator cu frecvență variabilă, suprafața
acestuia este identică cu cea a izolatorului de tip pendul cu o suprafață de lunecare
până în punctul d b după care aceasta va fi tangentă pe suprafața sferică. În figura
următoare sunt prezentați parametrii d b și R importanți pentru descrierea geometriei
izolatorului de tip CFPI.

Fig. 2.5 Parametrii izolatorului conic tip pendul de frecare

( ) { √ | |
(| | | | 2.14

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 39

unde :
√ 2.15
și:
√ 2.16
Frecven ța izolatorului poate fi calculată ca fiind :
√ ̈( ) 2.17
Atunci când deplasarea izolatorului depășește valoarea lui d b , frecvența
izolatorului CFPI este zero, iar acest lucru duce la deplasări și accelerații mari.
Chiar coeficientul de frecare variază, răspunsul CFPI nu poate fi controlat.

2.1.4 Izolator de tip pendul cu frecare variabilă (VFPS)

Acest sistem este asemănă tor din punctul de vedere al alcătuirii cu pendulul
cu frecare FPS, elementul de noutate fiind utilizarea unui coefficient de frecare
variabil.
Ecuația care definește legea de variație a coeficientului de frecare este:
( | |) | | 2.18
unde : µ0 – valoarea inițială a coeficientului de frecare ;
a1, a2 – parametrii de varia ție a coeficientului de frecare ;
xb – deplasarea izolatorului.
Rigiditatea inițială k i :

2.19
unde: µ max – coeficientul de frecare maxim
xb max – deplasarea maxim ă a izolatorului

2.20
W – greutate suportată de izolator

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 40

Perioada inițială a izolatorului se calculează cu formula :
√ 2.21
Deoarece acest tip de dispozitiv este relativ greu de realizat, este de preferință
să se înlocuiască cu dispozitive cu suprafață plană sau de tip pendul care să conțină
inele cu coeficient de frecare diferit.

2.1.5 Izolator de tip pendul cu frecvență și frecare variabilă (VFFPI)

Sistemul de izolare de tip pendul cu frecvență și frecare variabilă, a fost
propus în anul 2010, pentru a realiza curbura variabilă a acestuia, raza izolatorului
este descrisă printr -o funcție logaritmică, unde x reprezintă deplasarea sistemului :
( ) ( ) 2.22
unde: C – constantc ă a izolatorului.
Pe măsură ce valoarea constantei C crește, se înregistrează o scădere a forței
tăietoare de bază, iar comportarea izolatorului pentru valori mari ale lui C se
apropie de cea a PF. Valoarea lui C se selectează ținând cont de avantajele
sistemelor FP, astfel încât deplasarea reziduală să fie similară cu cea a FP. Valoarea
lui C este dată de ecuația :
( ) 2.23
Pentru a spori performanțele izolatorului, se variază și valoarea coeficientului
de frecare de -a lung ul suprafeței de lunecare. Legea de variație a coeficientului de
frecare este dată de ecuația:
√(
) 2.24

2.1.6 Izolator de tip dublu pendul cu frecare (DCFP)

Există un interes crescut pentru sistemele de izolare adaptive care sunt
capabile să asigure protecție structurală prin mijloace complet pasive, având

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 41

următoarele atribute: amortizare mare și rigiditate la un nivel scăzut al forțelor
exterioare (încărcări vânt, temperatură) sau al deplasărilor; amortizare și rigiditate
scăzută la cutremure de intensitate moderată și capacitatea de a dezvolta amortizare
și rigiditate mare la cutremure de intensitate ridicată sau deplasări mari. Aceste
atribute se pot obține prin utilizarea unor izolatori de tip pendul cu frecare cu mai
multe suprafețe sferice, care să -și modifice rigiditatea și proprietățile de amortizare
în funcție de nivelul excitației la care sunt supuși . Astfel, au apărut izolatorii de tip
pendul dublu c are au două suprafețe de lunecare, izolatorii de tip triplupendul cu
patru suprafețe, dar au fost propuse sisteme de și mai mare complexitate cu un
număr și mai mare de suprafețe de lunecare.

a b c
Fig.2.6 Izolatori de tip pendul cu frecare având una (a), două (b), respectiv
patru , (c) suprafețe de lunecare
Izolatorul de tip dublu pendul cu frecare (Double Concave Friction Pendulum
–DCFP)constă în utilizarea a două plăci concave între care este plasată o p iesă
metalică articulate (pivot). Placa superioară și cea inferioară pot avea aceleași raze
de curbură sau pot fi de raze diferite, la fel ca și coeficienții de frecare ai celor două
suprafețe de lunecare. Se recomandă utilizarea unei piese articulate într e cele două
plăci, datorită unei mai bune distribuții a presiunii pe acestea, dar și pentru a evita
uzura pieselor și modificarea semnificativă a proprietăților frecării dintre piese.
Comparativ cu pendulul cu o singură suprafață de lunecare, izolatorul d e tip
DCFP, datorită deplasării simultane pe placa superioară și cea inferioară, poate să
atingă aceeași deplasare orizontală, dar având dimensiunile efective ale izolatorului
reduse, ceea ce implică și costuri de producție mai mici. De asemenea, faptul că
lunecarea se desfășoară pe două suprafețe face ca uzura și variația coeficientului de
frecare să fie mult reduse.

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 42

Fig. 2.7 Izolator de tip pendul cu frecare cu două suprafețe de lunecare
[https://www.researchgate.net/]
Comportamentul adaptiv al pendulilor cu mai multe suprafețe concave este
dat de multiplele posibilități de alunecare care pot să apară pe suprafețele concave.
Astfel, se pot clasifica mișcările în diferite regimuri de mișcare. Se arată astfel că
rigiditatea corespunzătoare fiecărui regim este invers proporțională cu suma razel or
de curbură a suprafețelor pe care apare alunecarea în regimul respectiv. Ordinea
regimurilor este dată de coeficientul de frecare al fiecărei suprafețe în parte și de
raza acesteia [].

Fig. 2.7 Izolator DCFP – caracteristici geometrice []
Pentru determinarea regimurilor de mișcare și pentru trasarea curbelor
histeretice, se impune ca izolatorul să îndeplinească următoarele condiții :
2.25

( ) 2.26

2.1.6.1 Regim I
Suprafa ță de lunecare
Suprafa ță cu coef. de
frecare mic
Placă de capăt
Piesă articulată

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 43

Atunci când asupra izolatorului se acționează cu o forță F, iar suprafețele
acestuia au coeficienți de frecare diferiți, lunecarea se produce pe suprafața cu
coeficient mai mic, cu condiția ca valoarea lui F să depășească valoarea forței de
frecare a supra feței respective:
2.27
unde:
µ1 – coeficientul de frecare al suprafeței 1,
W – încărcarea vertical suportată de isolator
Acest regim se menține atâta timp cât forța nu depășeste valoarea forței de
frecare de pe suprafața cu coeficient de frecare mai mare. În acest caz, rigiditatea va
fi invers proporțională cu raza de curbură efectivă [].
2.28

Fig.2.8 Deplasare Regim I
Când alunecarea se face doar pe suprafața 1 avem :

2.29
unde: u – deplasarea totală,
2.30
unde: u 1, u2 – deplasarea pe suprafața 1, respectiv 2.
u2 = 0 pentru regimul I.
Rigiditatea după inițierea lunecării pe suprafața cu coeficient de frecare mai
mic, corespunzătoare regimului I este:

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 44

2.31

Fig.2.9 Curba histeretic ă idealizată DCFP – Regim I []

2.1.6.2 Regim II
Când forța orizontală depășește forța de frecare a suprafeței cu frecare mai
mare :
2.32

Se inițiază mișcarea și pe suprafața 2, astfel încât se obține o mișcare
simultană pe cele două suprafețe. În acest caz, rigiditatea este invers proporțională
cu suma razelor de curbură a celor două suprafețe concave :
2.33

Acest lucru se întâmplă la o deplasare u egală cu:
( ) 2.34
Când alunecarea se face simultan pe cele două suprafețe avem:

2.35

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 45

Fig. 2.10 DCFP – Deplasare Regim II []
Comportamentul în acest regim este denumit biliniar rigid și se observă o
reducere a rigidității datorate schimbării regimului de mișcare, de pe o suprafață, la
mișcarea pe ambele concavități.
Rezistența caracteristică în ace st caz poate fi definită ca fiind:
2.36
unde:
( ) ( )
2.37
Se poate observa c ă trecerea de la regimul I la regimul II se face cu o creștere
a rezistenței caracteristice a izolatorului.
Rigiditatea corespunzătoare regimului II este :

2.38
Relația forță -deplasare va fi :
(
) ( ( ) ( )
) 2.39
unde: u 1, u2 sunt deplas ările pe cele două suprafețe
(
)( ) 2.40

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 46

Fig. 2.11 Curba histeretic ă idealizată DCFP – Regim II []

2.2 Tehnologii disipative 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 alu necarea proporțională cu deplasarea.
Pentru amortizarea interioară a structurii, deplasările sunt datorate
deplasărilor relative de nivel aplicate amortizorilor cu frecare. Aceasta necesită ca
amortizorul să facă legătura între două nivele consecutive, co nexiunea 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 amortizorul.
Exista o mare varietate de amortizori cu frecare cu diverse mat eriale folosite
pentru 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 poz iție 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:

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 47

2.2.1 Amortizor cu frecare de tip Pall: este realizat dintr -un set de platbande
cu găuri, tratate special pentru a produce 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 2.12.

Fig. 2.12 Amortiz or cu frecare tip Pall

2.2.2 Dispozitiv de amortizare cu frecare tip Damptech: constă în trei plăci
metalice și două tampoane de frecare plasate între acestea, ca în figura 2.13. Un
șurub de înaltă rezistență pretensionat în combinație cu discuri resort și șaibe
întărite, sunt folosite pentru a menține forța 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. 2.13 Dispozitiv de amortizare cu frecare tip Damptech

2.2.3 Legătură disipatoare de energie (EDR – Energy Dissipating Restraint):
este un mecanism care permite frecarea pe o zona de mișcare, cu blocaje la capetele

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 48

acestor 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.

Fig. 2.14 Legătură disipatoare de energie

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 49

Capitolul III A naliza prin metoda elementului finit a izolatorului
seismic tip pendul de frecare

Izolatorii seismici sunt dispozitive amplasate la baza structurilor supraterane
(construcțiilor civile) care au rolul de a reduce perioada de oscilație a acestora în
raport cu solul în timpul producerii seismelor și de diminuare a energiei transmise
bazându -se pe disiparea prin frecare.
Pentru a pune in evidență importanța protejării antiseismică a structurilor
civile, în acest studiu se prezintă rezultatele analizei prin metoda elementului fi nit a
izolatorului de tip pendul cu frecare prin intermediul programului de simulare
ANSYS.

3.1 Programul ANSYS

ANSYS este un program de simulare asistată de calculator folosit pentru
analiza fenomenelor prin metoda elementului finit, analize structurale, dinamica
fluidelor, analize numerice și transfer de căldură.
Compania care produce acest software a fost fondată în 1970 de John A.
Swanson cu denumirea de ,,Swanson Analysis Systems, Inc (SASI). Scopul
principal al companiei a fost să dezvol te programe de analiză cu element finit a
fenomenelor fizice structurale care pot simula probleme de ordin static, dimanic și
de transfer de căldură.
În anul 1994 denumirea programului a devenit ANSYS, acesta fiind
structurat pe mai multe module :
1. Analize structurale
1.1 Ansys Autodyn este un instrument de analiză asistat ă de calculator,
folosit pentru a determina comportarea materialelor la încărcări severe,
presiuni mari sau explozii ;

Studiu privind izolarea antiseismică a structurilor cu ajutorul sistemelor de
izolare cu frecare – Alexandra AMAN 50

1.2 ANSYS Mechanical este un instrument de analiză prin metoda
elementelor finite pentru studii lineare, nelineare și dinamice.
2. ANSYS Fluent – dinamica fluidelor folosit pentru determinarea
comportării fluidelor, prin analiză într -un mediu virtual.
3. ANSYS HFSS – modul de simulare electronică folosit pentru analiza
câmpului magneti c, dispositive electromecanice.

3.2. Simularea în programul ANSYS a izolatorului seismic tip pendul de
frecare .

Plecând de la modelul real a fost generat un model virtual în programul de
proiectare asistată de calculator SolidWorks cu dimensiunile prezentate în figura
3.1:

Pe modelul generat au fost transpuse încărcări pe verticală echivalente cu o
clădire de 10 etaje și o deplasare orizontală nelineară de 200 mm, precum și
contactele între suprafața de lunecare și articulația glisantă, existente pe modelul
fizic.
Pentru studiul efectului izolatorului s -au folosit următoarele valori pentru
coeficientul de fricți une: 0.02, 0.04, 0.06, 0.08 și 0,1.