IzolareaIzolarea SeismicaSeismica a a BazeiBazei

Concept, Concept, MetodeMetode sisi DispozitiveDispozitive

Izolarea Bazei - Concept

stiff

flexible

Fig.1 a – Ideal isolation

Fig. 1 b – Base-isolated

building Isolators

Izolarea bazei vs proiectare

traditionala

Proiectare traditionala:

• Aparitia unui cutremur – degradari structurale si nestructurale

• Lucrari de reparatii si consolidare post-cutremur

• Este avantajos economic dpdv al costului initial

Izolarea Bazei:

• Fara degradari structurale si nestructurale

• Cost (initial) majorat

• Castig privind functionarea neintrerupta si siguranta crescuta

(cladiri a caror functionare este critica)

• Consolidare – pastrarea caracteristicelor arhitecturale in intregime

precum si functionarea neintrerupta in timpul lucrarilor

Componentele stratului de izolare

• Izolatori (poseda flexibilitate laterala pentru a realizaizolarea la miscari laterale si rigiditate mare pe directie

laterala pentru transferul incarcarilor gravitationale):– Izolatori din cauciuc natural (NRB) – Izolatori din cauciuc natural cu miez de plumb (LRB)– Izolatori cauciuc sintetic ce poseda proprietati de

amortizare (HDBR)– Dispozitive ce permit alunecarea (SB)

• Amortizori (disipatori de energie cu scopul de a reduce deplasarea relativa a stratului de izolare si de a oprimiscarea)

– Amortizori hidraulici – amortizori vascosi– Amortizori din plumb – amortizori histeretici– Amortizori din otel – amortizori histeretici

Izolatori

rubber

steel

Proprietati mecanice:• Diametru: 500-1550 mm• D/ntR ~ 5• Deformatii de proiectare: 250 – 300% deformatie de forfecare (450 -

550 mm for 800 mm diam.)• Deformatie ultima: 400% (550-800 mm)• Efort unitar de compresiune de lunga durata: 10-15 N/mm2

• Effort unitar de compresiune de scurta durata: 20-30 N/mm2

• Curgere lenta, imbatrinirea, efortul unitar vertical, deformatiilelaterale, temperatura, istoria incarcarii, frecventa ciclurilor de incarcare – 10% modificari ai parametrilor principali (sub 20% cumulat)

• Raportul rigiditatilor verticale si laterale 2500-3000• Consolidarea rigiditatii laterale dupa deformatii > 300% (6-8 ori)• Obligatoriu a fi cuplati cu disipatori• Model de calcul

Cauciuc natural (NRB)

Conformare:• Similar cu NRB• Diferente – material sintetic ce disipa energie

Proprietati mecanice• In general similare NRB• Amortizare vascoasa echivalenta: ~ 20% pentru 300% deplasare

laterala• Dependenta parametrilor principlai de factorii enumerati este in

general mai mare (20-25% cumulat)• Model de calcul: biliniar modificat

IzolatoriCauciuc sintetic cu amortizare HDRB

Inainte de deformatii mari Dupa deformatii mari

Izolatori

Conformare:• In principiu este un izolator NRB cu miez de plumb (60~150 mm) • Disipa energie histeretica

Proprietati mecanice:• Similar cu HRB• Forta laterala coresp. curgerii: 100 kN (100 mm diam. miez plumb) • Rigiditate initiala mare: 10-16 ori rigiditatea post “curgere” (astfel

incat sa reziste incarcari din vant)• Model de calcul: bilinear or modified bilinear

Cauciuc natural cu miez de plumb (LRB)

rubber

steel

lead

Izolatori

Conformare:• PTFE (polytetrafluoro-thylene) ce

aluneca pe placi de otel inoxidabil

• Cateodata folosite pe suprafata unuiNRB

Ce permit alunecarea SB

Proprietati mecanice:• Rigiditate initiala foarte mare• Rigiditate neglijabila dupa initierea miscarii (folosite in conjunctie cu

NRB, HDRB, LRB)

• In principal adoptate pentru reducerea rigiditatii la deplasari mari a cladirilor izolate.

• Coeficientul de frecare depinde in general de presiunea verticala side viteza miscarii.

Amortizori

Conformare:• Amortizori hidraulici

• Amortizare vascoasa: proportionala cu viteza miscarii

Hidraulici

Proprietati mecanice:• Forta de amortizare: 500 to 1500 kN• Deplasare: 500-700 mm• Viteza maxima de miscare: 1-1.5 m/sec• Diminueaza miscarea pe directia instalarii• Este de preferat folosirea pentru structurile mari (forte mari)

Amortizori

Conformare:• Bara de plumb indoita in forma de U

• Diam. 180-260 mm

• Disipa energie histeretica

Plumb

Proprietati mecanice:• Rigiditate initiala mare (rezista la actiunea vantului)• Rezistenta la curgere modesta (100 – 230 kN)• Nu prezinta degradari la un numar mare de cicluri de mare

intensitate• Deplasari maxime (600 – 800 mm)• Amortizarea este modesta (folosit de obicei in conjunctie cu alte

tipuri de amortizori – in Japonia cu amortizori de otel)• Model de calcul – biliniar (elasto-plastic)

Amortizori

Conformare:• Spirale de otel

• Disipa energie histeretica

Otel

Proprietati mecanice:• Rgiditate initiala scazuta• Rezistenta la curgere relativ mare (~ 300 kN)• Deformatii maxime 500-550 mm• Model de calcul – biliniar cu consolidare

Principii de proiectare

i

i

effW

W

4

1 ∑=∆

πξ

F u

F

F n

∆y ∆δ

K1

K e

R K i

∆u

effF

K = - Rigiditate efectiva

- amortizare efectiva

eff

eff

K

M2T π= - Perioada efectiva

Principii de proiectare

55.0)5(10 eff ≥+= ξη

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Perioada T , s

T B=0.07 T D=3

5.775/T2

1.925/T

β 0 =2.75

T C=0.7s

ηβγeffTgIb aMF =

72.0~

8.3~reducereaeficient

63.0~%20

6~q

eff

β

ηξ ⇒=

Avantaj – Suprastructura nu trebuie sa fie ductila

mm500~izolatordm24.0d2.1

m2.063.0*2

8.2*72.0*81.9*24.0)T(Sd

2

De

⇒=⇒=

=

==

γπ

Principii de proiectare

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Perioada T , s

TD =2

8.8/T2

4.4/T

β 0 =2.75

T B=0.16 TC=1.6s

Perioade predominante lungi

2

eDe2

T)T(S)T(S

=π

mm800~izolatordm41.0d2.1

m35.063.*2

6.3*72.0*81.9*24.0)T(Sd

2

De

⇒=⇒=

=

==

γπ

• Raportul intre perioada izolata si fixata la baza > 3• Efortul unitar mediu de compresiune in izolatori ~ 10

N/mm2

• Amortizori – realizeaza o amortizare echivalenta 15-20%.

• Amortizori histeretici – reziste incarcarilor din vant• Amortizori asrfel dispusi incat sa nu existe torsiune• Suprastructura sa ramana in domeniul elastic (q=1.5)

• Calculul dinamic (Etabs etc.) :– Accelerograme inregistrate– Accelerograme compatibile cu spectrul (artificiale

sau inregistrate)

Reguli generale

( )effeffejj ,TSmf ξ=

( )effeffejj ,TSmf ξ=

Proiectare - Verificari

• Nivelul de izolare:– Cerinta de deplasare < deformatia de proiectare a izolatorilor

(deformatie ~ 250%) factor de siguranta 1.2– Factor de siguranta mare fata de pierderea stabilitatii izolatorilor 2– Spatiul de izolare - factor de siguranta 1.2– Nu se accepta eforturi unitare de intindere ( < 1 N/mm2 in situatii

limita)

• Suprastructura si fundatii:– Raspunda in domeniul elastic– Cedarile ductile nu sunt obligatorii– Ierarhizarea capacitatilor de rezistenta nu este necesara– Acceleratiile de etaj sunt limitate (Japonia 2m/s2) – Instalatii si echipamente trebuie proiectate astfel incat sa nu fie

compromise la nivelul izolarii

Probleme

• Incertitudinile de comportare (±10% ÷ ±25% pentru rigiditate si±10% ÷ ±15% pentru rezistentele de curgere ale amortizorilor)

• Actiunea verticala a seismului (miscarea orizontala izolata siamortizata, vibratiile pe directie verticala nu)

• Miscarile seismice cu perioade predominante mari > 1.5 s ce induccerinte de deplasare mari

Solutii exista:M.Miyazaki – Japonia:• Minimizarea punctelor de sprijin pentru

a putea utiliza izolatori cu diam. 1300-1500 mm fara reducerea perioadei

• Deplasare maxima ~ 800 mm• 200% deformatie laterala – 4.5 s

perioada efectiva

Izolarea seismica - Japonia

0

200

400

600

800

1000

1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001

Number of approved seismic isolatedbuildings before 2001

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1994 1995 1996 1997 1998 1999-2000

Floor area of seismic isolated buildings (sq. m)

40000-50000

20000-40000

10000-20000

5000-10000

4000-5000

3000-4000

2000-3000

1000-2000

500-1000

0-500

Types of Facilities

Before 1995

28%

4%

9%24%

24%

11%

apartments

houses

computercenter

office building

laboratories

other

After 1995

44%

5%2%

17%3%

29%apartments

housescomputer center

office building

laboratories

other

Tipuri de izolatori si amortizori

25%

11%18%

20%

4%

6%

6%

10%

NRB

NRB mix

NRB + LRB

HDRB

HDRB Mix

sliding or rolling

LRB

LRB mix

Year 2000

3%

19%

1%

5%

1%

32%10%

10%

4%

3%

6%

7%

Steel

Steel + Lead

Steel Mix

Lead

Lead Mix

LRB

HDRB

Oil

Friction

HDRB Mix

LRB Mix

Other

Tendinte:• NRB si LRB cei mai folositi• Tendinta de utilizare scazuta a HDRB (rigiditate mare?)• SB utilizare in crestere (creste perioada efectiva)• Tendinta de crestere a efortului unitar mediu (de la 3-8 la 7-13

N/mm2)• Amortizori: plumb si otel.• Crestere a perioadei efective (de la 2-3 s la 3-4 s)

3%

23%

37%

21%

16%2.5 ~ 3

3 ~ 3.5

~ 2.5

3.5 ~ 4

4 ~ 4.5

Izolatori Perioada efectiva (s)Amortizori

Comportarea cladirilor izolate

• Nu exista informatii foerte multe• Kobe 1995: 2 cladiri izolate Matsumura-Gumi

Research Laboratory si West Japan Postal Savings Computer Center (West-1):– Amplasament: 30 Km de epicentru– Comportare foarte buna (0.3g PGA) – situate in

afara zonei caracterizate prin miscari agresive.

• Niigata 2004:– Spital: Comportare foarte buna (reducere

importanta a deplasarilor si fortelor)– Miscare caracterizata prin perioade predominante

mici

Kobe - 1995

Kobe

Niigata 2004

Izolarea bazei - Japonia

Izolarea bazei - Japonia

Izolarea bazei - Japonia