Analiza avansată a structurii Tower Center International din ... - apcmr

ANALIZA AVANSATĂ A STRUCTURII TOWER CENTER
INTERNATIONAL DIN BUCUREŞTI
Florea Dinu 1,2 , Aurel Stratan 1 , Dan Dubină 1,2
Rezumat
Lucrarea prezintă pe scurt proiectul unei clădiri cu structură metalică amplasată în Bucureşti şi
având 26 de etaje. Clădirea prezintă câteva particularităţi legate în special de conformarea
antiseismică. În acest scop, folosirea unui sistem dual alcătuit din cadre contravântuite şi cadre
necontravântuite a permis obţinerea unor caracteristici adecvate de rigiditate şi ductilitate.
Înglobarea parţială a stâlpilor în beton a condus la obţinerea unei rezistenţe sporite la foc dar şi la
creşterea rezistenţei şi rigidităţii acestora.
1. Introducere
Obiectul proiectului "Tower Center International" îl constituie un corp de clădire având destinaţia
de birouri. Structura este amplasată în Bucureşti si are un regim de înălţime de 3S+P+22E+3Etehn.
La bază, clădirea are o dimensiune în plan de 42,0x24,8 m. Cota la nivelul superior al etajului 22
este +94,3 m, iar la nivelul ultimului etaj tehnic +106,3 m.
Figura 1. Vedere de ansamblu
1 Universitatea „Politehnica” din Timişoara, Facultatea de Construcţii, Departamentul de CMMC
2 Academia Română, Filiala Timişoara, Centrul de Cercetări Tehnice Fundamentale şi Avansate, Laboratorul de CM
21

În etapa a doua a investiţiei, adiacent clădirii turn, se va construi o clădire 4S+P+3E. Principalele
date referitoare la structură şi la echipa care a contribuit la realizarea ei sunt prezentate in Tabel 1.
Tabel 1. Principalele date referitoare la obiectivul TCI Bucureşti
Nume clădire
Tower Center International
Investitor
Destinaţie
Tower Center International SRL
Clădire birouri
Dimensiuni în plan 24,8m x 42,0m
Deschidere 7,5m
Travee 7,5m
Înălţime nivel 4,0m
Înălţime totală 106,3m
Structura
Arhitect
Proiectant structură metalică
Producător şi montaj structură
metalică
Proiectare infrastructură
Cadre metalice, planşee beton armat
Westfourth Architecture, P.C.
SC BRITT SRL Timişoara
Prof. Dan Dubina
Florea Dinu, Aurel Stratan, Adrian Ciutina
UNGER Stahlbau ES.M.B.H
Popp & Asociaţii SRL
Montaj structura metalică martie – noiembrie 2006
Inaugurare oficială 2007
La realizarea lucrării au mai colaborat: Emanuel E. Necula PC pentru proiectul tehnic al
infrastructurii, S.C. Topo-Cad Proiect SRL, pentru releveul topo al infrastructurii existente la cota -
3.20, UTCB – Catedra de Hidraulică şi Protecţia Mediului, Laboratorul de Aerodinamică şi
Ingineria Vântului, pentru studiul în tunelul de vânt.
2. Conformarea structurii
Conformarea de ansamblu a trebuit să ţină seama de faptul că infrastructura era deja realizată la data
întocmirii proiectului tehnic al suprastructurii metalice, această situaţie impunând poziţia
contravântuirilor verticale. Conformarea structurii trebuia să asigure rigidităţi similare cu cele luate
în calcul la proiectarea infrastructurii. Structura aleasă este de tip cadru multietajat dual fiind
alcătuită din cadre necontravântuite rigide şi cadre contravântuite centric. Pentru sporirea rigidităţii
la forţele orizontale, în special din acţiunea vântului, pe lângă contravântuirile verticale dispuse pe
toată înălţimea structurii, au fost prevăzute două centuri de contravântuiri dispuse perimetral, la
mijlocul înălţimii şi la ultimul nivel.
Stâlpii au secţiunea sub forma de "cruce de Malta" şi sunt realizaţi din profile laminate. Această
secţiune a permis obţinerea unei bune rigidităţi cu un consum relativ redus de oţel, precum şi
simplificarea îmbinărilor riglă-stâlp. În zona cadrelor necontravântuite, stâlpii au dimensiunea
curenta la baza de 800x800mm. Prin înglobarea parţială în beton, cu armături şi conectori în zona
nodurilor, se realizează o secţiune mixtă, care asigură atât creşterea capacităţii portante cât şi a
22

igidităţii. Secţiunea stâlpilor variază pe înălţime astfel: primul tronson de jos este realizat din 2
profile HEM800, tronsonul intermediar din 2 profile HEB800 iar tronsonul superior din 2 profile
HEA800. În zonele contravântuite în X, stâlpii sunt dezvoltaţi după direcţia contravântuirilor şi au
dimensiunea curentă la bază de 1000x500mm. Secţiunea stâlpilor variază pe înălţime astfel:
tronsonul inferior este realizat dintr-un profil HEB1000 şi un profil HEM500, iar tronsonul superior
dintr-un profil HEB1000 şi un profil HEB500.
Plan etaj curent
Cadru ax 2 Cadru ax 3 Cadru ax D Cadru ax B
Figura 2. Secţiuni caracteristice structură TCI
Grinzile principale de cadru şi cele secundare de planşeu sunt realizate din profile laminate.
Conectorii dispuşi pe grinzi au rolul de a împiedica flambajul prin încovoiere-răsucire, în cazul
grinzilor principale şi asigurarea conlucrării cu planşeul de beton armat, în cazul grinzilor
secundare.
a) b) c)
Figura 3. Secţiuni folosite pentru elemente: a) stâlpi în zona necontravântuită; b) stâlpi în zona
contravântuită; c) grinzi principale şi secundare
23

Figura 4. Detaliu
Contravântuirile centrice verticale sunt de două tipuri, în X şi în V inversat şi sunt realizate din
profile laminate a căror secţiune variază pe înălţime, de la HEM450 la HEB400 pentru
contravântuirile în V întors şi de la HEB450 la HEB360 pentru contravântuirile în X. S-a optat
pentru contravântuiri în V inversat datorită capacităţii de a asigura o rigiditate sporită a sistemului,
ceea ce constituie o cerinţă esenţială în acest caz, atât pentru acţiunea seismului, cât şi a vântului.
Pentru a reduce nivelul de solicitare în elementele adiacente, contravântuirile sunt realizate dintr-un
oţel mai slab faţă de celelalte elemente (OL37 faţă de OL52). Planşeele au fost realizate dintr-o
placă de beton cu grosimea de 12 cm rezemată pe grinzi secundare.
3. Calculul şi proiectarea structurii metalice
Calculul static şi dinamic s-a realizat printr-un calcul spaţial cu ajutorul programului de calcul
ETABS. Pentru dimensionarea structurii de rezistenţă s-au utilizat prevederile din normele
romaneşti de calcul în vigoare la data proiectării structurii (STAS 10108/0-78, P100/92), dar şi noul
normativ P100/2006. În plus, pentru situaţiile în care nu există prevederi de calcul în normele
romaneşti, au fost folosite prevederi din alte norme, îndeosebi cele europene (EN 1993-1.8,
EN1994-1).
Dimensionarea s-a făcut pe baza înfăşurătorii cerinţelor maxime exprimate în cele două normative
de calcul seismic, P100/92 şi P100/2006. Datorită încadrării structurii în cerinţele de regularitate, s-
a folosit metoda de proiectare curentă bazată pe calculul modal cu spectre de răspuns. Pentru
verificarea mecanismului plastic şi a performanţei structurale folosite la proiectarea structurii, s-a
realizat o analiză dinamică neliniară incrementală.
Stâlpii au fost realizaţi continuu pe înălţimea a două etaje, îmbinările de continuitate realizându-se
cu şuruburi şi eclise pe inimi şi tălpi, în secţiuni amplasate la 1/3 din înălţimea nivelului. Pentru
asigurarea formării articulaţiilor plastice în grinzile cadrelor necontravântuite, îmbinărilor grindăstâlp
cu placă de capăt şi şuruburi li s-a asigurat o suprarezistenţă faţă de elementul îmbinat.
Suprarezistenţa rezultată din calcul nu a putut fi însă asigurată decât prin realizarea unor vute la cele
două extremităţi ale grinzilor (Figura 5d).
Grinzile aflate la intersecţia contravântuirilor în V inversat au fost dimensionate la eforturile
neechilibrate aplicate grinzii de către contravântuiri, după flambajul diagonalei comprimate, în
conformitate cu prevederile din P100-2006. Prinderile contravântuirilor în V s-au realizat cu
şuruburi şi eclise pe inimă şi tălpi. Pentru asigurarea unei rezistenţe suficiente, grinzile au fost
calculate şi alcătuite în variantă mixtă oţel-beton. Întrucât proiectarea stâlpilor, în cazul cadrelor
24

necontravântuite, respectiv a stâlpilor şi grinzilor în cazul celor contravântuite centric, se face pe
baza eforturilor majorate cu factorul Ω , este recomandabil să se obţină valori cât mai reduse ale
acestui factor. Pentru cadrele necontravântuite, reducerea factorului Ω s-a obţinut prin reducerea
suprarezistenţei grinzilor. În cazul cadrelor contravântuite, având în vedere faptul că sistemul de
contravântuiri are şi rol în preluarea sarcinilor orizontale din vânt, reducerea factorului Ω este în
cele mai multe cazuri destul de greu de îndeplinit. Soluţia adoptata în cazul clădirii TCI a constat în
utilizarea unui oţel cu limita de curgere mai redusă în contravântuiri (conducând astfel la reducerea
N
factorului Ω pentru sistemul de contravântuiri, dar nu şi a rigidităţii acestuia).
a) b) c)
Figura 5. Detalii de îmbinări: a) îmbinare de continuitate stâlpi; b) îmbinare grindă-stâlp la cadre
necontravântuite; c) îmbinare contravântuire în V – grindă
Pentru verificarea mecanismului plastic şi a performanţei structurale folosite la proiectarea
structurii, s-a realizat o analiză dinamică neliniară incrementală. Pentru analiza s-a folosit
înregistrarea mişcării seismice Vrancea 1977: Vrancea, 4 martie 1977, INCERC Bucureşti,
componenta N-S. În Figura 6 este prezentată accelerograma şi spectrul de răspuns al acceleraţiei
pentru înregistrarea seismică.
2
Vrancea, 04.03.1977, INCERC (B), NS
acceleratie, m/s 2
1
0
-1
a)
-2
-1.95
0 5 10 15 20 25
Acceleratia spectrala, m/s 2
6
4
2
timp, s
Vrancea, 04.03.1977, INCERC (B), NS
8
0
0 1 2 3 4
(b)
Perioada, s
Figura 6. Accelerograma (a) şi spectrul de răspuns al acceleraţiei (b) pentru înregistrarea seismică
folosită in analiza
25

Analiza dinamică neliniară s-a realizat cu programul ETABS, versiunea 9. Comportarea inelastică a
materialului a fost modelată prin articulaţii plastice, care au fost introduse în secţiunile plastice
potenţiale ale elementelor. Utilizarea acestui program permite modelarea articulaţiilor plastice din
moment, forţa tăietoare şi forţa axială. În plus, se pot modela şi articulaţii plastice produse de
interacţiunea moment-forţă axială. Neliniaritatea geometrică la nivel global a fost luată în calcul
prin considerarea efectului P-∆. Analiza dinamică neliniară incrementală a înregistrat apariţia
primelor articulaţii plastice şi evoluţia acestora, punând în evidenţă contribuţia cadrelor
contravântuite şi necontravântuite la disiparea energiei seismice induse în structură. În Figura 7 se
prezintă distribuţia articulaţiilor plastice în cadru transversal curent pentru diferite nivele ale
acceleraţiei (valoarea seismului de calcul, corespunzător SLU, a g = 0,24g).
a g = 0,08g a g = 0,12g a g = 0,16g a g = 0,20g a g = 0,24g a g = 0,32g
Cadru Ax 2
Cadru Ax3
Figura 7. Distribuţia articulaţiilor plastice
Verificarea stâlpilor cu secţiune mixtă la acţiunea focului s-a făcut cu metoda generală de calcul din
norma europeană Eurocode 4: "Design of Composite Steel and Concrete Structures – Part 1.2:
General rules – Structural Fire Design" şi de "Normativ pentru verificarea la foc a elementelor
structurale ale construcţiilor din oţel - NP046/2000. Verificarea s-a făcut cu programul cu elemente
finite SAFIR. Prin încadrarea construcţiei în gradul I de rezistenţa la foc, în conformitate cu
"Normativul de siguranţa la foc a construcţiilor – P118–99", s-a impus pentru stâlpii structurii
TOWER CENTER INTERNATIONAL un timp de rezistenţă la foc de 2½ ore (150 minute).
Calculul stâlpului cu secţiune mixtă s-a condus în două etape:
- în prima etapă s-a determinat evoluţia temperaturii pe secţiunea transversală a elementelor
(utilizând curba de foc standardizată ISO834, în conformitate cu prEN 1991-1-2 şi
NPO46/2000);
- în etapa a doua s-a stabilit răspunsul elementului structural sub acţiunea încărcărilor termice şi a
încărcărilor statice maxime, corespunzătoare grupării speciale de incendiu. În urma calculului
termic, se obţine distribuţia temperaturilor pe secţiunea transversală. În Figura 9 se arată
valoarea temperaturilor după 2½ ore de foc ISO (9000sec).
60 170 540 170 60
Figura 8. Discretizarea secţiunii transversale a stâlpului
26

Figura 9. Distribuţia temperaturilor pe secţiunea transversala după 2½ ore de foc ISO
4. Clădirea în faza de montaj şi în fază finală
Figura 10. Aspecte din timpul montajului structurii metalice
27

Figura 11. Vederi de ansamblu ale clădirii în faza finală
5. Concluzii
În lucrare se prezintă proiectul unei clădiri multietajate cu structura metalică amplasată în Bucureşti.
Clădirea are 26 de etaj şi este pentru moment cea mai înaltă clădire din Bucureşti. Sistemul
structural format din cadre duale (cadre necontravântuite cu noduri rigide şi cadre contravântuite
centric) şi contravântuiri perimetrale dispuse la nivelele 12 şi 22 asigură o comportare eficientă la
preluarea sarcinilor orizontale. Analiza dinamică neliniară a arătat o comportare seismică favorabilă
a sistemului structural format din cadre duale. Cerinţa de ductilitate în elementele disipative are o
distribuţie relativ uniformă pe înălţime, indicând un mecanism plastic global, fără plasticizări în
elementele nedisipative (stâlpi, grinzi aferente cadrelor contravântuite). Montajul structurii s-a
desfăşurat în perioada martie – noiembrie 2006. Inaugurarea oficială a clădirii este programată
pentru anul 2007.
28