Articol_aplicarea Seriei de Standarde Sr en 1993 in Zone Seismice
-
Upload
gabrielpaintings -
Category
Documents
-
view
48 -
download
1
description
Transcript of Articol_aplicarea Seriei de Standarde Sr en 1993 in Zone Seismice
-
APLICAREA SERIEI DE STANDARDE SR EN 1993 AUTOR: Conf.Paul IOAN Universitatea Tehnica de Constructii din Bucuresti ABSTRACT In practica curenta de proiectare starea de eforturi si deformatii, indiferent de caracterul incarcarilor statice, dinamice sau seismice s-a determinat printr-un calcul static linear, iar verificarile la starile limita ultime s-au realizat in domeniul elastic pentru a fi consecventi conceptual. Introducerea verificarilor in domeniul plastic cu eforturi stabilite in elastic si folosirea a doua rezistente de calcul de referinte conduce la erori si la nonsens tehnic. Se prezinta trei situatii limita care sunt obisnuite in proiectarea oricarei structuri metalice si care demonstraza necesitatea aplicarii in domeniul structurilor metalice amplasate in zone seismice a criteriilor de proiectare din STAS 10108/0-78 verificarea sectiunilor si elementelor in domeniul elastic.
1. GENERALITATI Inainte de atrece la implementareaOrice inginer care aplica corect prescriptiile sale
realiza o constructie ce indeplinea intotdeauna toate conditiile de rezistenta stabilitate
generala si locala, deformabilitate si ductilitate (ii putem spune azi cu cunoasterea
tehnica de acum). Nu s-au produs cedari, colapsuri structurale, avarii majore la nici o
constructie metalica indiferent de solicitarile la care a fost supusa. Nici o structura
metalica nu a intrat in colaps la marele cutremur din anul 1977. Un criteriu esential al
prevederilor standardului elaborat de Catedra de Constructii Metalice, sub conducerea
prof. Victor Popescu, intemeietorul scolii de constructii metalice din Romania, este acela
al calculului in domeniul elastic. Nici azi dupa trecerea a peste 36 de ani (de fapt sunt
mult mai multi) de la intrarea in vigoare, cunoasterea inginereasca nu a reusit sa
determine cu o precizie acceptabila starea de eforturi si deformatii in domeniul elasto-
plastic. Sunt azi o serie de programe de calcul care prin iteratii iti pot da informatii cu
privire la distributia articulatiilor plastice si la starea de eforturi si deformatii dincolo de
domeniul elastic, dar care inca nu pot fi folosite in proiectarea curenta, decat la nivel
calitativ pentru a depista eventuale forme critice sau colapsul structurii in cazul unui
seism sau sub actiunea oricarei incarcari la care ii putem defini o lege de variatie in
timp.
Stim cu totii ca noi calculam structurile amplasate in zone seismice la parametrii
dinamici (putini la numar cunoscuti) ai seismelor trecute si nu viitoare, motiv pentru care
nu avem dreptul sa consumam nimic din rezerva lasata, cu buna stiinta, prin calculul
elastic.
Prin trecerea la SREN 1993-1-1 fara discernamant si fara o implementare corecta a
conceptului de calcul elastic al elementelor structurale, in urma unui calcul static liniar,
este o etapa pe care nu trebuie sa ne o asumam numai de placerea de a raporta ca
suntem in Europa. Prin trecerea oarba la principiile de proiectare din SREN 1993-1-1,
care nu sunt in totalitate aplicabile unor structuri amplasate in zone seismice, este de o
-
mare responsabilitate a Comisiilor Tehnice din Minister si a noastra a celor care aplicam
prevederile normelor de calcul de a semnaliza pericolul unui astfel de demers si evident
de a-l indeparta.
2. Principii de aplicare a prevederilor SR EN 1993-1-1
In noul standard SREN 1993-1-1 se face o mare confuzie intre capacitatile plastice ale
unor clase de sectiuni si verificarea acestora cu eforturile obtinute dintr-un calcul static
liniar . Se considera, in mod cu totul eronat, ca daca avem o sectiune de clasa 1 atunci
putem automat sa o verificam in domeniul plastic. Eroarea fatala consta in faptul ca nu
se specifica conditia obligatorie ca se poate face aceasta verificare doar daca stabilirea
eforturilor este realizata in domeniul neliniar si nu in domeniul elastic. Este o mare
greseala conceptuala sa facem un calcul static liniar si sa verificam sectiunea in
domeniul plastic. Aplicand acest concept rezulta ca la atingerea starii limite ultime din
gruparea fundamentala in sectiunile de clasa 1 sau 2 se pot forma articulatii plastice
plastificarea sectiunii si deformatiile sub efort constant in cazul sectiunilor de clasa 1.
Cat se poate roti o sectiune de clasa1, fara sa se produca pierderi ale stabilitatii locale
ale elementelor sectiunii, deoarece in SREN 1993-1-1 nu se limiteaza acest parametru,
reducand la absurd daca nu e limitata valoarea atunci se poate roti la infinit. Se poate
ajunge, fara sa putem stapani teoretic si ingineresc, la forme critice sau colaps
structural in gruparea fundamentala de incarcari deoarece starea de eforturi din calculul
static linear nu mai corespunde in nici o sectiune cu starea de eforturi reala dupa
aparitia primei articulatii plastice. Pentru a intelege eroarea conceptuala, in care putem
cadea, am analizat o hala parter, amplasata intr-o zona cu activitate seismica redusa
din Romania. Hala nu este echipata cu poduri rulante, stalpi incastrati in fundatii, avand
sectiuni din clasa 1, si rigle articulate pe stalpi. Aplicand principiile din SR EN 1993-1-1,
ar trebui sa se formeze articulatii plastice la starea limita ultima din actiunea vantului.
Asta ar inseamna ca o data la 10 ani trebuie sa inlocuim toti stalpii halei deoarece prin
aparitia articulatiilor plastice aparute la baza acestor stalpi hala ramane cu deformatii
remanente (datorita incursiunilor in domeniul plastic). La halele amplasate in zone
seimice trebuie sa nu uitam ca in acest moment structura si-a consumat toata rezerva
de ductilitate, iar la un viitor cutremur zonele plastice vor lucra in zona de ecruisare a
otelului, nu vor mai avea incursiuni in domeniul elasto-plastic si nu va mai putea disipa
din energia indusa de seism, deci coeficientul de comportare va fi intotdeauna q=1 si nu
q2 cum e specificat in SR EN 1998-1 si in P 100-1/2006 cap.6. Altfel spus, orice
structura peste care a trecut o incarcare la valoarea maxima de cod, vant, zapada,
actiuni date de podurile rulante, deci din gruparea fundamentala de incarcari, nu mai
poate sa fie calculata in ipoteza disiparii de energie in domeniul elasto-plastic la o
actiune seismica, fie ea si de mica intensitate, deoarece materialul dupa parcurgerea
palierului de curgere pe o mare parte din sectiune nu mai are o comportare ductila si
poate deveni chiar fragil la actiuni dinamice.
Pentru a putea scapa de dilema in care ne gasim si totodata pentru a nu pune in
pericol noile constructii ce vor fi proiectate dupa noul standard SR EN 1993-1-1
considereram ca este obligatoriu sa facem cateva precizari:
-
a. Documentele normative de referinta pentru proiectarea constructiilor metalice
amplasate in zone seismice sunt reprezentate de colectia de standarde SR
EN 1993-1-1 SR EN 1993-1-10;
b. Verificarile de rezistenta, stabilitate, deformabilitate se vor efectua in domeniul
elastic (pentru toate clasele de sectiune) daca starea de eforturi si deformatii a
fost stabilita pe baza unui calcul static liniar;
c. In toate tipurile de verificari nu vor fi utilizate decat caracteristicile geometrice ale
sectiunii din domeniul elastic (ex: Wel, si nu Wpl):
d. Rezistenta caracteristica, de referinta, a otelului va fi limita de curgere fy;
e. Nu se va utliza nici o relatie de calcul in care limita de referinta este fu (deoarece
apar neconcordante majore in defavoarea sigurantei vezi pct 3.1);
f. Verificarile de rezistenta, stabilitate, deformabilitate se vor efectua in domeniul
elasto-plastic functie de clasa de sectiuni (clasele de sectiuni 1 si 2) daca starea
de eforturi si deformatii a fost stabilita pe baza unui calcul static si/sau dinamic
neliniar;
g. Toate sectiunile indiferent de clasa se vor dimensiona si verifica in gruparea
fundamentala de incarcari in domeniul elastic cu relatiile din SR EN1993-1-1 SR
EN 1993-1-8 aferente clasei 3 de sectiune, cu exceptia elementelor secundare ce
nu participa la preluarea incarcarilor seismice se accepta (ca si in STAS
10108/0-78) calculul panelor continui in domeniul elasto-plastic cu redistributia
eforturilor;
h. Zonele potential plastice de clasa 1 sau 2, link-urile, diagonalele cadrelor
contravantuite centric, se vor verifica in domeniul elastic la eforturile stabilite
printr-un calcul static liniar - echivalent;
i. Zonele potential plastice de clasa 1 si 2 se vor verifica in domeniul elasto- plastic
cu relatiile din SR EN 1993-1-1 la eforturile din calculul static echivalent in
combinatia care contine seismul amplificat cu 1,1ov (vezi P100-1/2006 anexa
F). Valorile rotirilor minime ale zonelor plastice (din incovoiere ciclica) sunt cele
din P100-1/2006 paragraful 6.6.4. asfel:
p0,035 radiani pentru clase de sectiune 1, respectiv p0,025 radiani pentru
clasa de sectiuni 2. In P100-1/2006 nu sunt specificate valorile maxime ale
rotirilor zonelor disipative ale grinzilor cadrelor necotravantuite.
-
j. Zonele potential plastice de clasa 1 sau 2, link-urile, diagonalele cadrelor
contravantuite centric, se vor verifica in domeniul plastic la eforturile stabilite
printr-un calcul neliniar.
k. Imbinarile cu sudura in adancime (cu patrundere completa), in relief si cu tije se
vor verifica in domeniul elastic la eforturile stabilite printr-un calcul liniar in
gruparea fundamentala de incarcari sau in conformitate cu P100-1/2006 daca
elementele ce se imbina sunt dimensionate din actiunea seismica. Se vor utiliza
relatiile de calcul din seria SR EN 1993-1-8;
3. Analiza comparativa a aplicarii SR EN 1993
3.1. Folosirea a doua limite de referinta fy si fu in SR EN 1993
3.1.1 Bara solicitata la intindere
Relatia de verificare a unei bare intinse este precizata in SR EN 1993-1-1 paragraful
6.2.3(1)
in care:
NEd efortul de tractiune;
Nt,Rd- valoarea de calcul a rezistentei la tractiune (efortul capabil);
Conform SR EN 1993-1-1 paragraful 6.2.3 In cazul sectiunilor cu gauri, trebuie ca
valoarea de calcul Nt,Rd a rezistentei la tractiune sa se ia egala cu cea mai mica dintre
valorile de mai jos:
a) valoarea de calcul a rezistentei plastice in sectiunea transversala bruta
b) valoarea de calcul a rezistentei ultime a sectiunii transversale nete, in dreptul
gaurilor
Verificarea de rezistenta conform STAS 10108/0-78
in care:
-
Aplicand relatiile pe un exemplu simplu rezulta a anomalie tehnica - o bara cu o slabire
(o gaura) are valoarea rezistentei de calcul la intindere egala cu o bara cu aceeasi
arie bruta dar fara slabire.
EXEMPLUL 1- Bara cu sectiunea de 20x300mm ( Abrut = 6000mm2 ) si
lungimea de 4,0m
NEdNEd
20
300
1 - 1
4000
300
Abrut=6000mm2
1
1
=1410kN
Efortul efectiv determinat printr-un calcul static liniar este NEd = 1410kN.
Din relatia (6.6)
Verificand relatia (6.5)
EXEMPLUL 2- Bara cu sectiunea de 20x300mm, cu gaura de 25mm
( Anet = 5500mm2 ) si lungimea de 4,0m
NEdNEd
20
300
2 - 2
4000
300
2
2
=1410kN
Aplicand prevederile SR EN1993-1-1, Nt,Rd = minim ( Npl,Rd, Nu,Rd )
Rezulta ca Nt,Rd=1410kN si deci conditia (6.5)
BaraAnet
[mmp]
Nef=Anetxfy/m
STAS 10108
fara slabiri 6000 1410.0
110 5800 1363.0
115 5700 1339.5
120 5600 1316.0
125 5500 1292.5
130 5400 1269.0
Nt,Rd=min(Npl,Rd
;Nu,Rd) SR EN 1993Npl,Rd=Abrutfy/M0 Nu,Rd=0,9Anetfu/M2
1410.0 1410.0 1555.2
1410.0 1410.0 1503.4
1410.0 1410.0 1477.4
1399.7 1410.0 1399.7
1410.0 1410.0 1451.5
1410.0 1410.0 1425.6
-
Considereram ca suntem intr-o situatie de anomalie tehnica si ca trebuie
intotdeauna sa ne raportam la acelasi parametru de referinta, normal la limita de
curgere. Aplicare parametrilor de referinta diferiti conduce intotdeauna la erori
conceptuale. Se poate trage concluzia ca se pot practica gauri intr-o bara intinsa fara
a-i diminua capacitatea portanta.
3.1.2 Imbinari sudate
O sudura in adncime (cap la cap) solicitata la ntindere, perpendicular pe lungimea
cordonului se verifica conform SR EN 1993-1-8 astfel:
a) Daca are ptrundere completa
b) Daca are ptrundere incompleta
in care:
fy - rezistenta la curgere a materialului piesei mai slabe din imbinare;
fu - rezistenta la rupere la tractiune a piesei mai slabe din imbinare.
a. Cu ptrundere completa
-
20
300
b . Cu ptrundere incompleta
20
300
a. sudura cu ptrundere completa
b. sudura cu ptrundere incompleta; nepatrundere de 1,5mm A=5550mm2
-
Calculul static liniar si neliniar a fost elaborat de Asist. Univ. Cristian RUSANU
IMBINAREA CU PATRUNDERE INCOMPLETA ARE CAPACITATE PORTANTA MAI
MARE DECAT O IMBINARE CU PATRUNDERE COMPLETA !
3.2. Hala parter cu o deschidere
Se prezinta comparativ starea deformatii intr-o structura metalica simpla dimensionata
si verificata conform SR EN 1993-1-1. Hala parter cu o deschidere de 24m si traveea
de 12m cu riglele articulate pe stalpi (vezi figura 1). Stalpii sunt incastrati in fundatii si au
clasa de sectiune 1 pe directie trasversala (cadrul trasversal) si articulati in fundatii in
planul cadrului longitudinal. Sarpanta este formata din grinzi cu zabrele articulate pe
stalpi, pane macaz contravantuiri in planul sarpantei. Pe sirurile longitudinale de stalpi
s-au prevazut portale in X in traveea mediana.
Figura 1. Vedere 3D a halei
Constructia este solicitata numai din incarcari permanente, tehnologice, si climatice. S-a
considerat, in mod voit, un amplasament din nord-vestul tarii in care incarcarea
seismica este nesemnificativa pentru a putea analiza cum se comporta o astfel de
constructie la incarcari neseismice. Se va analiza doar actiunea vantului celelalte
incarcari fiind cu caracter static. S-a analizat comportarea contravantuirilor verticale
(portalele) la actiunea vantului fara a mai considera si incarcarile din tendinta de
pierdere a stabilitatii generale a stalpilor care actioneaza asupra acestora.
In urma unui calcul static linear s-au dimensionat toate elementele structurale si stalpii
de inchidere perimetrali, conform SR EN1993-1-1 si SR EN1998-1.
Diagonalele intinse au fost dimensionate la efortul rezultat din calculul static amplificat
cu 2,0 ( ) considerand ca diagonala comprimata isi pierde stabilitatea
generala la valori mici de compresiune. A rezultat o teava 60,3x2,9mm.
-
Calculul static liniar si neliniar a fost elaborat de Asist. Univ. Cristian RUSANU
Verificarea de rezistenta s-a realizat cu relatia (6.5) din SR EN 1993-1-1
Pentru a verifica conditia de deformabilitate (sageata) a stalpilor pe directie
longitudinala s-a realizat un calcul static nelinear pe directia longitudinala a constructiei
punandu-se urmatoarele conditii (vezi figura 2) privind incarcarea variabila din actiunea
vantului. Valoarea maxima a fortei din actiunea vantului s-a definit printr-un coeficientde
scalare 1,6 ( in norma CR 0 2005 valoarea este 1,5) si nu s-a considerat efectul P-
(fiind bara intinsa):
Figura 2 Definirea parametrilor pentru pushover pe directia X din actiunea vantului
Contravantuirea a fost modelata cu element finit de tip truss cu comportare neliniara
dupa depasirea limitei de curgere si cu capacitate portanta la compresiune practic nula
(s-a declarat valoarea 118,60 la intindere si 1,0 la compresiune, vezi figura 3). definirea
parametrilor de comportare neliniara s-a facut in forte si deplasari (deformatii).
-
Calculul static liniar si neliniar a fost elaborat de Asist. Univ. Cristian RUSANU
Figura 3 Definirea comportarii neliniare a contravantuirii
Din graficul prezentat in figura 4 se poate vedea:
comportatrea nelineara a contravantuirii;
deformatia pe palier a barei la atingerea incarcarii de calcul a actiunii vantului;
deformatia remanenta a sirului longitudinal de stalpi dupa incetarea actiunii
vantului in valoare de 28,36cm ( 30,46cm in pasul 15 minus 2,15cm in pasul 14
atunci cand s-a atins plastificarea sectiunii).
Figura 4 Graficul N-
-
Calculul static liniar si neliniar a fost elaborat de Asist. Univ. Cristian RUSANU
a)
b)
c)
Fig. 5 Deformata structurii in pushover vant pe directia X
a) IO Immediate Occupancy; b) LS Life Safety; c) CP Collapse Prevention Nota: Pentru vizualizare bara comprimata a fost ascunsa (hide).
-
Calculul static liniar si neliniar a fost elaborat de Asist. Univ. Cristian RUSANU
Push vant X pas 14 - N [kN]
Push vant X pas 14 [cm]
Push vant X pas 14 - N [kN]
Push vant X pas 14 [cm]
-
3.3. Grinda simplu rezemata
Se analizeaza o grinda avand schema statica de grinda simplu rezemata cu deschiderea de 4,0m incaracata uniform distribuit de 191,3kN/m. Grinda este un realizata dintr-un europrofil HEA 320 otel S235JO.
l=4.0m
p=191,3kN/ml
Aplicand relatia MEd/Mc,Rd 1,0 (6.12) din SR EN 1993-1-1 stiind ca profilul are clasa 1 de sectiune la incovoiere rezulta:
Din aplicarea relatiilor din SR EN1993-1-1 folosind rezerva plastica pentru clasele de sectiune 1 si 2 rezulta o incompatibilitate tehnica intre conceptul standardului si realitate. Pentru grinda analizata, prin aplicarea relatiilor respective, s-a obtinut un mecanism de cedare la incarcari gravitationale aplicate static, prin formarea unei articulatii plastice la mijlocul deschiderii. Si acest exemplu conduce, direct, la ideea ca daca eforturile sunt obtinute dintr-un calcul static linear si relatiile de verificare trebuie, obligatoriu, sa fie tot din acelasi domeniu elastic. Verificarea de rezistenta STAS 10108/0-78
-
a b c dc c c c
c
cc
a STAS 10108/0-78
ELASTICd SR EN 1993-1-1
PLASTIC
GRINDA CU 3 ARTICULATII COLINIARE
4. CONCLUZII
4.1. Este obligatoriu sa prezentam si noi Comisiei Europene de Constructii Metalice, elaboratorilor Eurocodurilor rezultatele testelor noastre si sa solicitam:
- pastrarea concordantei intre metodele de determinare a starii de eforturi si deformatii si verificarile de rezistenta si stabilitate;
- alegerea unui singur parametru pentru definirea rezistentelor de calcul, si pentru a nu ne departa de ceea ce este implementat in constiinta inginereasca din Romania, sa pastram limita de curgere;
4.2 Testele numerice este evident ca nu pot acoperii toate situatiile intalnite in practica curenta a ingineriei constructiilor si nu credem ca este bine sa ne bazam numai pe rezultatele numerice si sa neglijam conformarea structurala si conditiile constructive care au rezultat din experienta a zeci de generatii de ingineri din toate tarile Europei. BIBLIOGRAFIE
[1]. STAS 10108/0-78 Calculul elementelor din otel
[2]. SR EN 1993-1-1 :2006 Eurocod 3 : Proiectarea structurilor din otel. Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri.
[3]. SR EN 1993-1-8 :2005 Eurocod 3 : Proiectarea structurilor din otel. Partea 1-8: Proiectarea imbinarilor.
-
[4]. Federal emergency management agency, NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings (FEMA Publication 273); Washinton D.C., 1997.
[5]. Federal emergency management agency Guidelines for the Seismic Rehabilitation Prestandard (FEMA Publication 356)
[6]. Computers and Structures, Inc., Etabs Users Manual, Volume 1 & 2, Berkeley, California 1999.