Title C01 Introducere in Dinamica structurilor CCIA 2021.pdf ✅

1 1|Introducere în Dinamica structurilor Cursul introductiv al disciplinei Dinamica structurilor şi elemente de Inginerie seismică îşi propune să familiarizeze cursantul cu cadrul general, conceptele, instrumentele practice şi obiectivele domeniului de studiu. Se prezintă problematica generală şi locul disciplinei în arhitectura globală a domeniului Inginerie civilă. Relaţia funcţională dintre acţiune, sistem şi răspuns este prezentată în lumina scopului primodial al analizei dinamice a structurilor, al bazei teoretice si practice a proiectării structurale la acţiuni dinamice, în particular la acţiunea seismică. În plus, sunt prezentate sub-domeniile conexe, de frontieră ale Dinamicii structurilor, precum și abordări avansate care vor fi dezvoltate pe larg în cadrul programelor de master şi de doctorat. 1.1. Introducere, necesitatea studiului Dinamicii structurilor Acţiunile cu manifestare dinamică, cu precădere cele provenite din surse de hazard natural, sunt responsabile de producerea de pierderi de vieţi omeneşti şi pierderi materiale, de dimensiuni considerabile. Acţiunile dinamice induc structurii de rezistenţă a construcţiei o comportare de natură dinamică, a cărei complexitate în manifestare şi efecte induse, poate exceda capacitatea proiectată a construcţiei. Spre deosebire de comportarea la acţiuni statice, comportarea structurală la acţiuni dinamice este descrisă printr-un mecanism mai complex. Pot astfel surveni fenomene vibratorii neaşteptate şi nedorite, precum rezonanţa vibratorie, fenomenul de bătăi, instabilitatea aerodinamică sau hidrodinamică, fenomenul de oboseală la cicli de încărcare- descărcare etc. În cazul depăşirii limitei de comportare liniar-elastică, degradarea structurală se manifestă prin diminuarea capacităţii de rezistenţă şi a rigidităţii, la cicli succesivi de solicitare. Complexitatea proceselor de degradare structurală şi a mecanismului de cedare au fost observate experimental, natura solicitării fiind unul dintre elementele cauzale importante (Berry et al., 2004). În Figura 1.1. sunt reprezentate date referitoare la numărul şi ponderea evenimentelor naturale generatoare de dezastre, produse între anii 1998-2017. Figura 1.1-Statistica evenimentelor naturale generatoare de dezastre (sursa: United Nations Office for Disaster Risk Reduction, 2016)
2 Efectele dezastrelor naturale cu manifestare dinamică (cutremure şi vânturi puternice) asupra construcţiilor şi a infrastructurii, exprimate numeric în termeni de pierderi economice sunt reprezentate în Figura 1.2. Figura 1.2- Pierderi economice asociate evenimentelor semnificative (sursa: United Nations Office for Disaster Risk Reduction, 2016) Astfel, acţiunea vânturilor puternice asupra structurilor reprezintă cea mai importantă cauză a pierderilor economice în lume (Berz, 1993; McLean, 1994). Numai în Statele Unite ale Americii, între anii 1986 şi 1993, uraganele şi tornadele au produs pierderi economice asigurate (recuperabile) de cca. 41 de miliarde de dolari, în comparaţie cu numai 6.18 miliarde de dolari pierderi economice provenite din suma tuturor celorlalte evenimente produse, având ca sursa hazardul natural (McLean, 1994). Uraganul Andrews (1992) de exemplu, a generat pierderi economice de acelaşi ordin de mărime cu cele produse de cutremurul de la Northridge. Uraganul Katrina (Statele Unite ale Americii, 23-31 august 2005) a reprezentat evenimentul care a generat cele mai mari distrugeri în mediul urban, pierderi de vieţi omeneşti (cca. 986 de persoane decedate în statul Louisiana) şi pagube materiale estimate la cca. 135 de miliarde de dolari (U.S. Department of Housing and Urban Development, Current housing unit damage estimates: Hurricanes Katrina, Rita and Wilma, 2006). În Europa, doar în anul 1990, vânturile puternice au produs pierderi asigurate (recuperabile) de cca. 10 miliarde de dolari şi alte cca. 10 miliarde de dolari pierderi economice nerecuparabile (Berz şi Conrad, 1994). Rezultate analizelor de hazard climatic, indica o tendinţă de creştere a intensităţilor
3 maxime ale vântului de 5%- 10%, datorită efectelor schimbărilor climatice (Houghton, 2005). Evenimente climatice recente indică o diversificare a manifestării acțiunii extreme a vântului, de tip- downburst (Figura 1.3). Forțele aerodinamice generate asupra fondului construit, diferă ca distribuție de cele generate de evenimentele extreme curente. Torino (Italia, 25 mai 2019) Balassagyarmat (Ungaria, 25 august 2019) Figura 1.3- Evenimente climatice extreme de tip- downburst Evenimente seismice, ca cel de la Loma Prieta, din 17 octombrie 1989 (Statele Unite ale Americii, Mw=6.9, 63 de persoane decedate, 3757 persoane rănite, 12000 de unităţi locative parţial sau complet avariate, 6 miliarde de dolari pierderi economice), sau ca cel de la Northridge (Statele Unite ale Americii, 17 ianuarie 1994, Mw=6.7, 57 de persoane decedate, 9000 persoane rănite, 20-40 miliarde de dolari pierderi economice; Crandell, 1997), dar mai ales cutremurul de la Kobe (Japonia) din 16 ianuarie 1995 (Mw=6.9, 6000 de persoane decedate, 147 miliarde de dolari pierderi economice directe), au atras atenţia asupra pierderilor economice exagerate, atribuite în principal limitărilor inerente din normativele de proiectare utilizate (http://neic.usgs.gov). Ca urmare a cutremurelor de la Loma Prieta (1989) şi Northridge (1994), au fost iniţiate eforturi de adoptare a conceptului de proiectare bazată pe conceptul de performanţă, în proiectarea structurală curentă (SEAOC Vision 2000), denumit generic Performance-based Seismic Engineering of Buildings (Iancovici, 2015). Evenimente recente, de severitate extremă, din punctul de vedere al magnitudinii, au generat însă avarii structurale directe, nesemnificative. Este cazul cutremurului Tohoku din Japonia, 11 martie 2011 (Mw=9.0, Hf=24.4 km), care a generat cele mai mari pierderi economice din istorie, evaluate la 211 miliarde dolari pierderi directe şi cca. 250 miliarde de dolari- pierderi asociate (Kajitani et al., 2013). Cu excepţia centralei nucleare de la Fukushima, grav avariată în termeni de echipamente şi elemente nestructurale (www.usgs.gov), pierderile provin de la efectele induse de fenomenul de tsunami generat de producerea cutremurului (cca. 18000 de decese raportate). Rezultatele prelucrărilor realizate de autor, utilizând accelerograme din banca de date http://www.strongmotioncenter.org pentru cutremurul Tohoku, Japonia (491 de înregistrări), pun în evidenţă apariția de valori deosebit de mari ale acceleraţiei terenului-
4 cca. 2.7g la cca. 100 km distanța epicentrală, g fiind accelerația gravitațională (Figura 1.4). Figura 1.4- Inregistrări ale accelerației seismice a terenului si distribuția valorilor de vârf ale acceleraţiei terenului (PGA) în funcţie de distanţa epicentrală (suport: Google Earth) În România, istoria recentă a dezastrelor, are ca punct central cutremurul vrâncean, de la 4 martie 1977 (Mw = 7.4, cca. 1500 de victime înregistrate, 30.000 de apartamente grav avariate sau distruse, 32 de clădiri importante distruse în totalitate- cele mai multe în Bucureşti, cca. 2 miliarde de dolari pierderi economice estimate). A fost cutremurul cu efectele cele mai distructive în istoria de peste 1000 de ani de atestare documentară a cutremurelor de pământ în România şi în cea de peste 40 de ani de instrumentare seismică (Lungu et al., 2001; Dubină şi Lungu, 2003). Figura 1.5 - Blocul Dunărea, după cutremurul de la 4 martie 1977 (sursa http://www.ici.ro) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 200 400 600 800 Distanta epicentrala, km Acc.maxima teren, g Tohoku, Japonia/ 11 martie 2011 Mw=9.0 491 componente