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: v.iancu@uem.ro Prof.Univ.Dr.Ing.Ec. Gilbert-Rainer GILLICH

Prorector Cercetare - Universitatea Eftimie Murgu Reia, preedintele Sucursalei AGIR Cara-Severin

e-mail: gr.gillich@uem.ro

476

mailto:v.iancu@uem.romailto:gr.gillich@uem.ro