GRUP DE REZEMARE ŞI IZOLARE ANTISEISMICĂ,

ÎN CONCEPŢIE MODULARĂ, PENTRU PODURI ŞI VIADUCTE.

SOLUŢIE CONSTRUCTIVĂ ŞI FUNCŢIONARE

DAMPING AND SEISMIC ISOLATION BEARINGS GROUP,

IN MODULAR DESIGN, FOR BRIDGES AND VIADUCTS.

CONSTRUCTION AND WORKING PRINCIPLE

Sef lucr. dr. ing. Marian Dima Sef lucr. dr. ing. Cătălin Frâncu

UTCB, Facultatea de Utilaj Tehnologic Rezumat/Abstract În această lucrare se prezintă principiul de alcătuire şi funcţionare şi soluţia constructivă pentru un grup de rezemare şi izolare antiseismică,în concepţie modulară, pentru poduri şi viaducte. This paper presents the design and working principle and also the constructive solution for seismic isolation bearings group in modular design for bridges and viaducts. 1. INTRODUCERE Sistemele de izolare utilizate pentru poduri sunt alcătuite din dispozitive de izolare care au rolul de a îmbunătăți răspunsul structurii la acţiunea seismică. De regulă aceste dispozitive sunt amplasate între suprastructura şi infrastructura podurilor, pe partea superioară a pilelor/culeelor, în poziţiile în care se dispun în mod uzual şi aparatele de reazem obişnuite. Îmbunătăţirea comportării structurii constă în reducerea forţelor interne (momente încovoietoare, forţe tăietoare) pe secţiunea transversală a elementelor de infrastructură, în reducerea deplasărilor la nivelul suprastructurii, respectiv la partea superioară a pilelor sau în reducerea atât a forţelor interne cât şi a deplasărilor. Această comportare favorabilă a structurii se obține pe utilizând următoarele metode de reglaj dinamic :

− creşterea perioadei fundamentale a structurii - care are ca urmare scoaterea acesteia din zona de amplificare a mişcării, cu acceleraţii de valori mari şi mutarea într-o zonă a spectrului de răspuns căreia îi corespund valori mai mici ale acceleraţiilor ; în consecinţă, forţele interne de echilibru pe secţiunile pilelor, respectiv culeelor se reduc datorită reducerii valorilor forţelor de inerţie induse în structură, însă cresc şi deplasările structurii;

− creşterea amortizării - care duce atât la diminuarea valorilor spectrului de acceleraţii, cât şi a celui de deplasări ; aceasta se traduce printr-o reducere atât a valorilor forţelor interne pe secţiunea transversală a pilelor/culeelor, cât şi prin reducerea deplasărilor structurale. Cele două metode se pot combina pentru obţinerea efectului dorit, atât în ceea ce

priveşte forţele interne de echilibru pe elementele de infrastructură, cât şi deplasările structurii.

2. PRINCIPIUL DE ALCĂTUIRE ŞI FUNCŢIONARE Grup de rezemare şi izolare antiseismică, în concepţie modulară, pentru poduri şi

viaducte îndeplineşte funcţiile reazemelor utilizate în prezent: 1) preia reacţiunile provenite de la suprastructură urmare a acţiunilor

exterioare/interioare ce solicită structura şi în acelaşi timp permite deplasările pe direcţiile gradelor de libertate dorite în conformitate cu cerinţele de deplasare pentru care au fost proiectate;

2) asigură disiparea unei părţi din energia indusă în structură de mişcarea seismică; aceasta se poate realiza prin utilizarea dispozitivelor de izolare cu comportare histeretică, a celor cu comportare vâscoasă şi a izolatorilor cu frecare uscată;

3) asigură, prin modul de comportare, revenirea structurii aproape de poziţia iniţială nedeformată, pentru a asigura transmiterea reacţiunilor verticale de la suprastructură la infrastructură ca în situaţia absenţei acţiunii seismice;

4) asigură deplasarea suprastructurii în raport cu infrastructura pentru acţiunile curente din exploatare fără a atinge limita lor de deformabilitate, respectiv fără a induce în pile/culee valori semnificative ale forţelor interne de echilibru;

5) asigură, prin elementele constructive cu care sunt prevăzute, evitarea căderii suprastructurii podului de pe pile/culee în timpul evenimentului seismic;

şi în plus prezintă următoarele caracteristici: - amortizează toate cele şase componente ale mişcării suprastructurii podului produse

de acţiunea seismică (trei translaţii şi trei rotaţii); - realizează amortizarea optimă; - permite revenirea la poziţia a suprastructurii după încetarea acţiunii seismice. Grupul de rezemare şi izolare antiseismică este compus din:

1. izolator elastomeric de tip HDRB sau LRB; 2. izolator cu frecare FPS sau reazem sferic; 3. sistem format din şase amortizoare hidraulice, dispuse într-o configuraţie

geometrică conform schemei cinematice a platformelor Stewart; 4. elemente de legătură.

Toate elementele componente ale grupului cu rol de izolare şi amortizare sunt produse de sine stătătoare, în fabricaţia curentă a unor firme cu experienţă şi expertiză în domeniu, cu caracteristici definite individual, utilizate şi verificate în mod curent în practica de izolare dinamică a viaductelor şi podurilor.

Grupul de rezemare şi izolare antiseismică poate fi realizat în două variante de alcătuire, fiecare variantă reprezentând din punct de vedere conceptual, constructiv şi funcţional un produs sistemic. Schemele funcţionale ale grupului pentru cele două variante sunt prezentate în figurile1 şi 2. În prima variantă de alcătuire a grupului de rezemare şi izolare antiseismică, reazemul sferic/izolatorul cu frecare, 1, este asamblat în paralel cu sistemul de amortizoare hidraulice aranjate în configuraţie Stewart, 3, şi acest subansamblu este montat în serie cu izolatorul elastomeric HDRB/LRB, 2. În continuare acestă combinaţie a dispozitivelor va fi denumită „grup serie”. În a doua variantă constructivă, reazemul sferic/izolatorul cu frecare, 1, este asamblat în serie cu izolatorul elastomeric HDRB/LRB, 2, formând un subansamblu, care la rândul lui este montat în paralel cu sistemul de amortizoare hidraulice în configuratie Stewart, 3. În continuare acestă combinaţie a dispozitivelor va fi denumită „grup paralel”. Pe baza schemelor functionale prezentate anterior rezultă soluţiile constructive din figura 3.

Fig. 1. Fig. 2.

a) grup serie b) grup paralel

Fig. 3

La amortizarea celor şase componente ale mişcării suprastructurii podului, produse de acţiunea seismică, cele trei elementele care intră în componenţa grupului de rezemare şi izolare participă în mod diferit. Acest mod este ilustrat în tabelul 1, pentru un grup „paralel”. Analizând acest tabel rezultă că pentru fiecare componentă a mişcării absolute a suprastructurii podului, grupul prezintă deformaţii specifice care conduc la mişcări relative ale elementelor grupului. Se constată că:

- izolatorul elastomeric are câte o singură mişcare relativă de translaţie în raport cu axele sistemului de referinţă, corespunzatoare componentei mişcării de translaţie absolută a suprastructurii podului;

- reazemul sferic cu frecare uscată execută câte o singură mişcare relativă de rotaţie în raport cu axele sistemului de referinţă, corespunzatoare componentei mişcării de rotaţie absolută a suprastructurii podului;

- cei şase amortizori hidraulici, în configuraţie Stewart, au fiecare deplasări relative pentru toate cele şase componente ale mişcării absolute.

În consecinţă, izolatorul elastomeric participă la amortizarea mişcărilor de translaţie, reazemul sferic participă la amortizarea mişcărilor de rotaţie, iar sistemul de amortizori hidraulici în configuraţie Stewart participă la amortizarea tuturor celor şase componente ale mişcării. Trebuie remarcat aspectul că pentru izolatorul elastomeric şi pentru reazemul sferic orientarea axelor din planul orizontal în raport cu axa longitudinală a podului nu influenţează mărimea amortizării individuale, dar pentru sistemul de şase amortizori hidraulici în configuraţie Stewart această orientare influenţează alungirile proprii şi în consecinţă şi amortizarea proprie.

Tabelul 1

Mişcarea absolută

Starea deformată a grupului de rezemare şi izolare antiseismică

Mişcări relative ale componentelor / tip amortizare

Reazem sferic

Izolator elastomeric Amortizori

1 Translaţie Ox

ctx =ϕ cty =ϕ ctz =ϕ

vard x = ctd y = ctd z =

vardl =6...1

--- amortizare vâsco-elastică

amortizare vâscoasă

2 Translaţie Oy

ctx =ϕ cty =ϕ ctz =ϕ

ctd x = vard y = ctd z =

vardl =6...1

--- amortizare vâsco-elastică

amortizare vâscoasă

3 Translaţie Oz

ctx =ϕ cty =ϕ ctz =ϕ

ctd x = ctd y = vard z =

vardl =6...1

--- amortizare vâsco-elastică

amortizare vâscoasă

4 Rotaţie Ox

varx =ϕ cty =ϕ ctz =ϕ

ctd x = ctd y = ctd z =

vardl =6...1

amortizare prin frecare

--- amortizare vâscoasă

5 Rotaţie Oy

ctx =ϕ vary =ϕ ctz =ϕ

ctd x = ctd y = ctd z =

vardl =6...1

amortizare prin frecare

--- amortizare vâscoasă

6 Rotaţie Oz

ctx =ϕ cty =ϕ varz =ϕ

ctd x = ctd y = ctd z =

vardl =6...1

amortizare prin frecare

--- amortizare vâscoasă

Amortizarea optimă pentru grupul de rezemare şi izolare antiseismică va fi obţinută prin conlucrarea celor trei tipuri de dispozitive din componenţa sa, prin combinarea celor trei tipuri de amortizări specifice fiecărui dispozitiv dar şi prin ponderarea amortizărilor specifice fiecărui dispozitiv în amortizarea totală a grupului. Această ponderare se poate face pe două căi: prin alegerea corespunzătoare a tipului de dispozitiv din cadrul categoriei din care face parte (ex. HDRB sau LRB, cu sau fără miez de plumb pentru izolatorul elastomeric; FPS sau reazem sferic pentru dispozitivul cu frecare uscată) dar şi prin alegerea corespunzătoare a parametrilor caracteristici care influenţează amortizare pentru fiecare dispozitiv, respectiv amortizarea vâscoasă echivalentă, coeficientul de frecare dinamic şi constanta amortizorului c.

3. SOLUŢIA CONSTRUCTIVĂ Grupul, figura 4, este realizat dintr-o armătură superioară de legătură (1.1) la

suprastructura podului/viaductului, montată solidar cu semicupla sferică convexă (1.3) a dispozitivului cu alunecare prin frecare uscată, ce se află în contact mecanic permanent cu semicupla sferică concavă (2.1), montată solidar pe izolatorul elastomeric antiseismic (4), care la rândul său este fixat mecanic de armătura inferioară de prindere la pila podului/viaductului (3.3). În paralel cu izolatorul elastomeric antiseismic (4) şi reazemul sferic (1.3, 2.1) între armătura superioară (1.1) şi cea inferioară (3.3) sunt legate amortizoarele hidraulice Ah1, Ah2, ..... Ah6, cu ajutorul unor articulaţii sferice A3, B3, C3, D3, E3, F3 la armătura inferioară şi a unor articulaţii sferice A1, B1, C1, D1, E1, F1 la armătura superioară. Cele şase amortizoare hidraulice Ah1, Ah2, ..... Ah6 sunt montate în configuraţia platformei Stewart.

Orice deplasare generală relativă între cele două armături (1.1, 3.3), produsă de mişcarea seismică, considerată prin componentele ei în raport cu un sistem de referinţă cartezian are următoarele efecte: componentele de translaţie ale mişcării relative produc deplasare elastică în izolatorul elastomeric (4), între suprafeţele (2.3, 3.1), preponderent în planul orizontal şi nesemnificativ după axa verticală, componentele de rotaţie ale mişcării relative între armături produc rotiri în cupla sferică (1.3, 2.1) şi concomitent toate cele şase componente ale mişcării relative între armături determină deplasări relative axiale în cele şase amortizoare hidraulice Ah1, Ah2, ..... Ah6.

Funcţiile de rezemare elastică şi deplasare elastică laterală sunt asigurate de izolatorul elastomeric antiseismic (4), funcţiile de deplasare laterală progresivă şi disipare prin frecare uscată sunt realizate de dispozitivul antiseismic cu alunecare sferică convexă (1.3) şi semicupla sferică concavă (2.1). Disiparea fluidică vâscoasă este asigurată de sistemul amortizoarelor hidraulice Ah1, Ah2, ..... Ah6.

Fig. 4

O altă variantă constructivă este prezentată în figura 5. În această variantă articulaţiile sferice ale amortizorilor hidraulici sunt dispuse echidistant ceea ce conduce la o înclinare a amortizorilor hidraulici numai în planul axial cu consecinţa simplifică soluţia constructivă prin faptul că deplasarea unghiulară în articulaţiile amortizorilor este mai mică pentru aceeași deplasare relativă a armăturii superioare în raport cu cea inferioară. Tot în figura 5 se observă că reazemul sferic specific podurilor este înlocuit cu două articulaţii sferice concentrice, una axială şi cealaltă radială, specifice maşinilor.

Fig. 5

Bibliografie 1. Dima M., Frâncu C, ş.a. - Grup de rezemare cu amortizare mixtă, în concepţie modulară,

pentru izolarea dinamică la acţiuni seismice a podurilor şi viaductelor. Contract PNII- Parteneriate nr. 235/2014.

2. Bratu P., Dima M. – Grup de rezemare elastică şi amortizare mixtă pentru izolarea antiseismică la poduri şi viaducte. Brevet nr. 130978A0, BOPI nr. 3/2016.

3. Prospecte ALGA, SOMMA. 4. Prospecte MAGEBA, SKF. 5. Prospecte ACE.