-
ANALIZA DISPOZITIVELOR DE IZOLARE SEISMIC DIN ELASTOMERI FR I CU
INIM DE PLUMB
Vasile IANCU, Gilbert-Rainer GILLICH
ANALYSIS OF ELASTOMERIC INSULATORS WITHOUT AND WITH LEAD
HEART
Seismic isolation using neopren rubber bearings or lead rubber
bearings
is achieved by inserting these devices between the
infrastructure and the superstructure in order to retrieve and
dissipate seismic energy so that the constructions will not by
damage.
These devices are designed and built according to the size,
complexity, degree of loading and seismic zone where the
construction will be located.
Cuvinte cheie: izolator, elastomer, inim de plumb, rigiditate
Keywords: insulator, elastomer, lead heart, stiffness
1. Introducere
Izolarea seismic utiliznd dispozitive de izolare seismic din
elastomeri se realizeaz prin inserarea ntre infrastructur i
suprastructur a unor elemente flexibile care s preia micarea
seismic i s disipeze energia astfel nct structura s nu fie avariat.
Exist diferite dispozitive de izolare seismic care se proiecteaz i
construiesc n funcie de: mrimea structurii care trebuie s fie
izolat din punct de vedere seismic, complexitatea structurii,
gradul de ncrcare (orizontal, vertical, longitudinal, transversal),
zona seismic n care este/se amplaseaz structura. Pentru a reduce
deformarea puternic pe vertical a dispozitivelor de izolare seismic
din elastomeri
469
-
acestea sunt armate cu elemente metalice, n general sub form de
plci subiri din oel, dispuse n plan orizontal. Aceast soluie
influennd n mic msur capacitatea de deformare n plan orizontal,
lucrarea de fa trateaz dou din aceste dispozitive de izolare
seismic: din elastomeri fr i cu inim de plumb.
2. Dispozitivele de izolare seismic din elastomeri
Forma constructiv a acestora este simpl, cilindric sau
prismatic, fiind realizate ntr-o gam divers de mrimi, funcie de
structura care urmeaz a fi izolat seismic.
Ele sunt construite din straturi de cauciuc alternnd cu fii din
tabl de oel vulcanizate ntre ele - figura 1, putndu-se utiliza la
izolarea seismic a tuturor tipurilor de structuri. Rolul principal
al acestora este de a modifica perioada fundamental a structurii, n
sensul creterii acesteia i scoaterea ei din zona n care cutremurul
i provoac acceleraii mari i implicit solicitri importante [1]. n
general sunt elemente cu o capacitate de amortizare modest,
rigiditate vertical ridicat i flexibilitate orizontal mare:
dFkel = (1)
Dispozitivele de izolare seismic din elastomeri sunt considerate
ca fiind dispozitive cu amortizare redus, deoarece au valori
relativ mici de amortizare cuprinse ntre 23 % din amortizarea
critic. Acestea pot fi uor produse fiind rezistente la condiiile
atmosferice i diferene de temperatur, nu necesit ntreinere n timpul
funcionrii, avnd o durat de via de 50 de ani.
Fig. 1 Dispozitiv de izolare seismic din elastomeri cu armtur
metalic
470
-
Dispozitivele de izolare seismic din elastomeri cu armtur din
fibr, prezentate n figura 2, sunt confecionate din straturi de
cauciuc special tratat pentru a putea fi lipit de fibr (n general
nailon) care n acest caz nlocuiete armtura metalic. Datorit
elasticitii fibrei de armare, acestea au o rigiditate vertical i
orizontal mai redus n comparaie cu dispozitivele armate cu plci din
oel i deci o modificare a perioadei mai accentuat. Drept consecin
se obine o izolare mai bun a bazei dect cu un dispozitiv de izolare
cu armtur metalic. Oricum, ambele tipuri de dispozitive de
izolatore prezint un comportament histeretic redus, foarte apropiat
de cel liniar, elastic.
Fig. 2 Sistem de izolare seismic din elastomeri cu
armtur din fibr Un studiu efectuat de Gyung Ju Kang i Beom Soo
Kang [2]
arat c pentru dispozitive de izolare de dimensiuni egale, la
ncrcri verticale similare, deformaia vertical este mult superioar n
cazul celor cu armtur din fibr SISF n raport cu cele armate cu plci
din oel SISP, cum este prezentat n figura 3.
0
4
8
12
16
20
0 1 2 3 4 5 6 7Deplasarea
Fora
oriz
ontal
Fig. 3 Comparaie ntre deformaiile verticale a SISF i a SISP
Fora
oriz
onta
l
Deplasarea
SISP SISF
471
-
3. Dispozitivele de izolare seismic cu inim de plumb
Dispozitivele de izolare seismic cu inim de plumb, prezentate n
figura 4, sunt realizate similar celor din elastomeri cu armtur
metalic, cu diferena c n mijloc au un miez de plumb, pentru
rigidizarea sistemului la ncrcri laterale mici i disiparea
histeretic a energiei la ncrcri mai mari [3].
Fig. 4 Sistem de izolare seismic cu inim de plumb
Seciunea inimi de plumb a dispozitivului de izolare seismic
este
n cele mai multe cazuri circular, dimensiunile sale trebuie s se
ncadreze n condiiile date de relaia:
05251 ,DH,
Pb
Pb (2)
unde HPb este nlimea efectiv a inimi de plumb [mm] egal cu
nlimea total a dispozitivului de izolare seismic, iar DPb este
diametrul inimi de plumb a dispozitivului de izolare seismic
Confinarea38 inimii de plumb de ctre cauciuc scade odat cu
creterea nlimi sale, reducerea nlimi inimi de plumb conduce la
deformarea capetelor acestuia n form de sfer [4]. Restriciile
dimensionale sunt date de imposibilitatea restabilirii
caracteristicilor dispozitivelor de izolare n ambele cazuri, dac
ecuaia 2 nu poate fi respectat prin utilizarea unei singure inimi
de plumb, se recomand folosirea mai multor inimi de plumb.
Utilizarea mai multor inimi de plumb nu reduce capacitatea de
deformare n comparaie cu dispozitivele de izolare cu o singur inim
de plumb. Astfel, i la aceste
38 CONFIN vb. I. intr. a se nvecina (cu). II. refl. 1. a se
nchide, a se izola. 2. (fig.) a se limita la o singur ocupaie,
activitate; a se specializa. (< fr. confiner)
472
-
dispozitive de izolare, amortizarea poate fi ncorporat ntr-o
singur component compact [5].
Kelly i alii [6], [7] precum i Skinner i alii [8], arat n
studiile lor c dispozitivele de izolare seismic cu inim de plumb se
comport n esen ca un amortizor histeretic (figura 5). Pentru fore
orizontale mici, sistemul va avea o rigiditate lateral mare, dat de
cauciuc kC i plumb kPb.
Trebuie remarcat c rigiditatea plumbului este de cteva ori mai
mare dect cea a cauciucului. Pentru fore orizontale mai mari dect
F2 care produc inimii de plumb deplasri d2, plumbul trece din
domeniul elastic n domeniul plastic.
Pentru domeniul n care att elastomerul ct i plumbul au
comportament elastic (figura 5.a), se poate scrie:
1
11 d
Fkk elC == ; 2
22 d
Fkk elPb == (3)
unde F1 este fora care trebuie aplicat elementului de cauciuc
pentru a avea o deplasare maxim d1 egal cu deplasarea d2 la care
elementul de plumb i pierde elasticitatea.
n acest caz sistemul va avea rigiditatea
2
211 d
FFkkk PbCech+
=+= (4)
Dac solicitrile orizontale depesc o anumit limit F1 + F2, pentru
care sistemul cunoate o deformaie lateral d2, plumbul trece n
domeniul plastic, adic kPb = 0.
n acest caz sistemul permite o cretere mult mai mare a
deplasrii la o cretere mic a forei, iar k2ech (figura 5.b) va
depinde de amplitudinea micrii.
echX
Xech kd
)d(Fk 12
==
CxCPb
CXXPb
XCxC
XPb
ddpentrudkddpentrudk
dk)d(F)d(F
(6)
473
-
Fig. 5 Comportamentul histeretic al sistemului de izolare
seismic din elastomeri cu inim de plumb
Dispozitivul de izolare seismic din elastomeri cu inim de plumb
fiind un sistem de elemente elastice legate n paralel, fora total
ce acioneaz asupra sa se poate scrie ca suma celor dou fore
prezentate n relaia (6), astfel:
>+++
=CXCXCCPbCC
CXxPbCX ddpentru)dd(kdkdk
ddpentrud)kk()d(F (7)
Variaia coeficientului de rigiditate kech poate fi exprimat n
acest caz:
>++
==
+
===
CXx
CXCCPbC
X
Xech
CXx
XPbC
X
Xech
ech
ddpentrud
)dd(kd)kk(d
)d(Fk
ddpentrud
d)kk(d
)d(Fkk
2
1
(8)
Fig. 6 Variaia coeficientului de rigiditate kech pentru
dispozitivul de izolare seismic cu inim de plumb
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Amplitudinea [mm]
Coe
ficie
ntul
de
rigid
itate
kec
h [N
/m]
Cazul 1
Cazul 2
Cazul 3
k1ech
k2ech
Cazul 1: kC = 0,5; kPb = 2,5 Cazul 1: kC = 1,0; kPb = 2,5 Cazul
1: kC = 0,5; kPb = 3,5
474
-
Ilustrarea grafic a variaiei coeficientului de rigiditate kech
este prezentat n figura 6, unde pentru cazurile considerate avem
valorile pentru kC i kPb.
Se observ c pentru fore, respectiv deplasri mici ale
dispozitivelor de izolare seismic cu inim de plumb kech nu i schimb
valoarea, iar pentru valori ale forei F(dX) mai mari, la care
plumbul trece n domeniul plastic valoarea kech scade, tinznd spre
kC, pentru deplasri foarte mari, desigur, forele i deplasrile sunt
limitate din considerente mecanice i constructive, deci limita kech
= kC nu poate fi atins.
4. Concluzii
nelegerea comportrii sistemelor de izolare seismic necesit o bun
cunoatere a parametrilor funcionali, n special n cazul sistemelor
de complexitate ridicat. Studiul efectuat pe sisteme elastice cu
inim de plumb, hibride cu inim de plumb i elastic cu alunecare au
permis determinarea relaiilor analitice care determin expresiile
analitice ale coeficientului de rigiditate la forfecare kech. O
sintez a rezultatelor obinute este prezentat n figura 7.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Amplitudinea [mm]
Coef
icie
ntul
de
rigid
itate
kec
h [N
/m]
Dispozitiv din elastomer
Dispozitiv cu inim de plumb
Fig. 7 Variaia coeficientului de rigiditate kech n cele dou
cazuri
Se constat c: - pentru dispozitivele de izolare seismic din
elastomeri, kech
are valoare constant pentru un domeniu larg de fore orizontale
aplicate;
- pentru dispozitivele de izolare seismic cu inim de plumb pe
intervalul n care forele au valori mici kech are valori ridicate
datorit rigiditi plumbului, iar pentru fore ce exced limita de
curgere a
475
-
plumbului, deci pentru deplasri mai mari, valoarea lui kech
scade cu ct fora i implicit deplasarea cresc.
Ca urmare a acestor constatri, se poate defini rolul
dispozitivelor de izolare seismic elastomerice ca sisteme destinate
izolrii structurilor susceptibile a fi supuse unui spectru larg de
solicitri laterale.
Pe de alt parte, pentru izolarea structurilor care trebuie s
pstreze o anumit stabilitate la aciunile externe modeste cum ar fi
aciunea vntului sau traficul rutier/feroviar i acioneaz la fore
orizontale mari date de cutremure, este recomandat utilizarea
dispozitivelor cu inim de plumb. Acestea prezint i avantajul
disiprii energiei de ctre miezul de plumb.
BIBLIOGRAFIE
[1] Iancu, V., Gillich G.R., Iavornic C.M., Sisteme Compozite de
Izolare Seismic, Editura Pro Marketing, 2012. [2] Matson, D.D.,
Buckland, P.G., Experience with seismic retrofit of major bridges,
Proceedings of the National Seismic Conference on Bridges and
Highways: Progress in Research and Practice, California, 1995. [3]
Gillich, G.R., Bratu, P.P., Rduca, M., Amariei, D., Iancu, V.,
Behavior of composite bearings used in bridge isolation, KORSD
Vilnius, Lithuania, 2009. [4] * * * Monitorul Oficial Nr. 874 bis,
Ordin pentru aprobarea Reglementrii tehnice Ghid privind
proiectarea sistemelor de izolare seismic pasiv (reazeme,
disipatori) a cldirilor indicativ GP-101-04*, Bucureti, Septembrie,
2004. [5] Priestley, M.J.N., Seible, F., Calvi, G.M., Seismic
design and retrofit of bridges, John Wiley and Sons, New York,
1996. [6] Kelly, J.M., Skinner, R.I., Heine, A.J., Mechanisms of
energy absorption in special devices for use in earthquake
resistant structures, Bulletin of the New Zealand national society
for earthquake engineering, Vol. 5, 78-89, 1972. [7] Kelly, J.M.,
Tsztoo, D.F., Energy absorbing devices in structures under
earthquake loading, 6th World conference on the earthquake
engineering, Vol. 2, New Delhi, India, 1977. [8] Skinner, R.I.,
Kelly, J.M., Heine, A.J., Hysteretic dampers for earthquake
resistant structures, Earthquake engineering and structural
dynamics, Vol. 3, 1975.
ef lucr.Dr.Ing. Vasile IANCU Universitatea Eftimie Murgu Reia,
membru AGIR
e-mail: [email protected] Prof.Univ.Dr.Ing.Ec. Gilbert-Rainer
GILLICH
Prorector Cercetare - Universitatea Eftimie Murgu Reia,
preedintele Sucursalei AGIR Cara-Severin
e-mail: [email protected]
476
mailto:[email protected]:[email protected]