1. DATE PROIECT

Titlu: Dezvoltare laborator pentru încercări pe structuri la scară mare
Contract finanțare pentru execuție proiecte nr. 90CP/I/14.09.2007
Finantare de la bugetul de stat
Denumirea programului din PN II: CAPACITATI
Categoria de proiect: Modul I, Tip proiect PI
Valoarea contractului: 1998000 lei
Autoritatea Contractantă: Autoritatea Națională pentru Cercetare Științifică – ANCS
Contractor: Universitatea "Politehnica" din Timișoara - CEMSIG

2. REZUMATUL PROIECTULUI

În domeniul construcțiilor încercările experimentale reprezintă o metodă de investigare absolut necesară dezvoltării unor produse și soluții noi, sau evaluării performanțelor unor soluții existente. Cu toate că există la ora actuală metode de calcul avansate pentru simularea pe cale numerică a performanțelor structurilor (de exemplu Metode Elementului Finit), complexitatea problemelor practice nu permite în general utilizarea exclusivă a metodelor numerice pentru evaluarea performanțelor structurilor. Soluția optimă o reprezintă folosirea în tandem a încercărilor experimentale și a simulării numerice, acestea completându-se reciproc.

Există mai multe tipuri de încercări experimentale care pot fi efectuate în laborator, principalele categorii (în ordinea complexității și a resurselor tehnice și materiale necesare) fiind: încercări statice monotone, încercări quasi-statice monotone și ciclice, încercări pseudo-dinamice, încercări în centrifugă, încercări pe masa vibrantă.

În prezent, laboratorul Centrului de Cercetare CEMSIG (acreditat ca și centru de excelență de către CNCSIS) dispune de facilități necesare efectuării încercări statice și quasi-statice monotone și ciclice (stand experimental, actuatori hidraulici cu stație de achiziție și control). Standul actual este limitat din punct de vedere al capacitatii de incarcare si al dimensiunilor, încercările fiind limitate la subansamble plane de dimensiuni relativ reduse.

Proiectul își propune să dezvolte capacitatea experimentală a centrului de cercetare CEMSIG, prin realizarea unei facilități noi pentru încercarea de structuri la scară mare sau naturala. Această facilitate constă dintr-un perete de recțiune amplasat pe un planșeu puternic și va permite încercarea experimentală atât a structurilor plane cat și spațiale. Sistemul de actuatori existent va fi extins cu încă doi actuatori de mare capacitate, cu grup hidraulic de putere și controller proprii. Aceasta facilitate noua va permite efectuarea atât a încercărilor quasi-statice, cat si și a celor pseudo-dinamice, care permit evaluarea răspunsului seismic al unei structuri la scară naturală, combinând o încercare experimentală cu simularea pe calculator a efectului dinamic a acțiunii seismice. Peretele de reacțiune și planșeul puternic vor fi amplasate într-o extindere a halei existente a laboratorului CEMSIG, care va fi dotată cu pod rulant.

3. RELEVANȚA PROIECTULUI

3.1. Incadrarea proiectului in domeniile prioritare de cercetare ale Strategiei Nationale

Romania este o tara cu o puternica activitate seismica, iar realizarea constructiilor noi, cat si reabilitarea constructiilor existente, nu pot fi realizate eficient fara adoptarea unor solutii structurale moderne, cu materiale si tehnologie de inalta performanta.  Siguranta si calitatea constructiilor fac obiectul legii 10/1995 si constituie un obiect al politicii de stat in domeniu. In acest context, proiectul se incadreaza in domeniul prioritar de cercetare al Strategiei Nationale la domeniul 3.5 Constructii, respectiv 3.5.7 „Solutii tehnice de reducere a riscului pentru cladirile noi si consolidare post-dezastru”.

3.2. Încadrarea proiectului în obiectivele fundamentale ale programului 2. Capacități.

Dezvoltarea facilitatilor experimentale propuse in proiect reprezinta un teren foarte propice pentru cooperarea la nivel national si  international in domeniul sigurantei structurilor pentru constructii si va permite centrului de cercetare CEMSIG sa sustina participarea Romaniei la programe de cercetare, dezvoltare si inovare internationale. Proiectul propus dezvolta infrastructura existenta a centrului de cercetare CEMSIG cu o facilitate experimentala complet noua si prin investitiile propuse permite cresterea gradului de utilizare a infrastructurii de cercetare.

4. DESCRIEREA ȘTIINȚIFICĂ ȘI TEHNICĂ A PROIECTULUI

4.1. Scurtă prezentare a realizărilor în domeniul ST precizat, la nivel național și internațional.

În domeniul ingineresc în general, și în domeniul construcțiilor în special, încercările experimentale reprezintă o metodă de investigare absolut necesară dezvoltării unor produse și soluții noi, sau evaluării performanțelor unor soluții existente. Cu toate că există la ora actuală metode de calcul avansate pentru simularea pe cale numerică a performanțelor structurilor (de exemplu Metode Elementului Finit), complexitatea problemelor practice nu permite în general utilizarea exclusivă a metodelor numerice pentru evaluarea performanțelor structurilor. Soluția optimă o reprezintă folosirea în tandem a încercărilor experimentale și a simulării numerice, acestea completându-se reciproc.

Un domeniu aparte în știința construcțiilor o reprezintă comportarea structurilor acestora la acțiuni excepționale, cum ar fi acțiunea seismică. În comparație cu alte tipuri de acțiuni (încărcări permanente, utile, vânt, zăpadă), acțiunea seismică intervine relativ rar în viața unei construcții, dar are consecințe de multe ori dezastruoase asupra mediului construit. Aceasta se datorează faptului că proiectarea antiseismică a construcțiilor a început relativ târziu. Primele norme de proiectare antiseismică conținând prevederi apropiate de cele moderne au apărut în anii 1970 (Priestley, 1997). În România, primul normativ de proiectare antiseismică cu caracter obligatoriu a fost introdus în 1963 (P13-63). De aceea, majoritatea construcțiilor proiectate și construite înainte de introducerea normelor moderne de proiectare seismică riscă să sufere avarii importante în urma unui cutremur de calcul și au nevoie de reabilitare. Chiar și construcțiile proiectate conform normelor seismice moderne pot suferi avarii importante în urma unui cutremur de calcul ca urmare a faptului că, din considerente economice, acestea sunt proiectate în general pentru forțe seismice mai mici decât cele corespunzătoare unui comportament elastic. În această situație, o structură supravețuiește unui seism major datorită ductilității, ceea ce implică deformații importante în domeniul post-elastic. Există categorii de construcții (spitale, stații de pompieri, etc.) care trebuie să rămână operaționale în urma unui cutremur. În multe cazuri, sunt folosite tehnici speciale, cum ar fi izolarea la bază sau sisteme suplimentare de disipare a energiei, care să reducă degradările structurale în urma unui cutremur.

În toate cazurile enumerate mai sus (reabilitarea construcțiilor existente, asigurarea ductilității la construcțiile noi și utilizarea tehnicilor de izolare la bază și a dispozitivelor de disipare a energiei) elementele structurale și structura per ansamblu au o comportare complexă, care face obligatorie folosirea tehnicilor experimentale pentru evaluarea performanței structurilor existente și dezvoltarea unor sisteme noi de protecție antiseismică. Pe lângă acestea, încercările experimentale servesc ca suport pentru dezvoltarea unor norme antiseismice noi.

Există mai multe tipuri de încercări experimentale care pot fi efectuate în laborator, principalele categorii (în ordinea complexității și a resurselor tehnice și materiale necesare) fiind:

  • încercări statice monotone
  • încercări quasi-statice monotone și ciclice
  • încercări pseudo-dinamice
  • încercări în centrifugă
  • încercări pe masa vibrantă

Încercările statice monotone sunt cele mai simple, și constau, în general, în aplicarea lentă a unei forțe cu ajutorul cilindrilor hidraulici. În multe cazuri acest tip de încercări se aplică în control de forță, până la atingerea limitei de curgere în specimen. Obiectul acestui tip de încercări îl constituite elemente structurale individuale (grinzi, stâlpi) sau subansamble (noduri grindă-stâlp). Efectuarea încercărilor statice monotone necesită în general resurse materiale relativ modeste (stand de încercări, cilindri hidraulice cu pompă manuală, instrumentare) și sunt reprezentative pentru comportarea structurii la acțiuni care pot fi considerate statice. Acest tip de încercări nu este însă potrivit pentru evaluarea performanței seismice a structurilor, deoarece nu reconstituie caracterul dinamic, ciclic și inelastic al răspunsului structurii.

Încercări statice pe noduri la structuri reticulate realizate la Universitatea Politehnica din Timișoara, Facultatea de Construcții, centrul de excelență CEMSIG.

Încercările quasi-statice monotone și ciclice constau în aplicarea lentă (quasi-static) a încărcării în control de deplasare fie monoton, fie ciclic. Aplicarea în control de deplasare a încărcării permite evaluarea performanței structurale în domeniul inelastic. Încercările ciclice, efectuate la amplitudini care în general cresc progresiv, au ca și scop să reproducă caracterul alternant al acțiunii seismice. Față de încercările statice, cele efectuate în regim quasi-static ciclic au avantajul că induc deformații inelastice alternante în specimene, reproducând într-o manieră mai fidelă starea de solicitare a elementelor încercate. Există mai multe protocoale de aplicare a încărcării, unul dintre acestea fiind cel propus de Asociația Europeană de Construcții Metalice (ECCS, 1985). Folosirea unor protocoale standardizate are avantajul de a facilita comparația între încercările efectuate de diverse laboratoare. Încercările quasi-statice ciclice sunt folosite în general pentru evaluarea performanței seismice a elementelor structurale individuale (rigle, stâlpi, etc.) sau a subansamblelor (noduri riglă-stâlp).

Cadru pentru încercări monotone și ciclice de la Universitatea Politehnica din Timișoara, Facultatea de Construcții, centrul de excelență CEMSIG

Procedura ECCS de aplicare a încărcării în cazul încercărilor quasi-statice ciclice

Exemplu de răspuns histeretic al unui nod riglă-stâlp obținut în urma unor încercări quasi-statice ciclice

În comparație cu încercările statice, cele quasi-statice (monotone sau ciclice) necesită o investiție mai mare, deoarece aplicarea încărcării în control de deplasare nu mai poate fi realizată cu ajutorul cilindrilor hidraulici cu pompe manuale, ci necesită actuatori hidraulici, dotați cu unități hidraulice de putere și controlere. Pe lângă aceste echipamente mai este necesar un stand experimental, captori și stație de achiziție a datelor.

Totuși, încercările quasi-statice ciclice nu reproduc două dintre aspectele importante ale solicitării structurilor la acțiunea seismică. Primul dintre acestea este viteza de solicitare, care este mult mai mică în cazul experimental, și care neglijează efectul dinamic al solicitării seismice. Cel de-al doilea aspect îl reprezintă istoria de deformare, care în cazul unui cutremur real are caracter cu aspect aleatoriu și nu crește progresiv.

Centrifugile geotehnice sunt folosite în domeniul geotehnic, pentru studierea modului în care materialele geologice interacționează cu fundații structurilor inginerești. Încercările efectuate în centrifuge au ca și scop determinarea rezistenței, rigidității și capacității portante a fundațiilor de poduri și construcții, stabilitatea taluzurilor, etc. Deoarece acest tip de încercări sunt efectuate la o scară redusă, accelerația indusă de echipamentul centrifug este mai mare decât cea gravitațională, pentru a reproduce efectul accelerației gravitaționale asupra structurilor reale.

Centrifuga Acutronic 665-1 instalată la Institutul Politehnic Rensselaer din SUA (http://www.nees.org/).

Masa vibrantă este un dispozitiv experimental format dintr-o platformă acționată de niște actuatori hidraulici, ce pot induce o mișcare similară cu cea observată în timpul unui cutremur de pământ. Platforma permite fixarea unui model experimental al structurii sau unor componente nestructurale sau echipamente. Există o varietate foarte mare de astfel de dispozitive, acestea diferind prin dimensiunile fizice și numărul de grade de libertate (între 1 și 6) pentru care pot fi impuse deplasări/rotiri. Masa vibrantă reproduce cel mai fidel condițiile de solicitare ale unei structuri în timpul unui cutremur.

Totuși, există câteva dezavantaje ale acestei soluții:

  • costul necesar pentru realizarea unor astfel de instalații este deosebit de ridicat, necesitând resurse materiale impresionante atât pentru realizarea, cât și pentru mentenanță
  • datorită costului ridicat, majoritatea meselor vibrante nu permit efectuarea încercărilor la scară naturală
  • timpul scurt în care se derulează încercarea îngreunează observarea detaliată a răspunsului structurii

Masa vibrantă din laboratorul Kajima (http://www.kajima.co.jp/)

Încercările quasi-statice ciclice pe subansamble nu reproduc în totalitate starea de solicitare sub efectul acțiunii seismice. În plus, acestea nu permit evaluarea performanței seismice a sistemului structural per ansamblu. Pe de altă parte, încercările pe masa vibrantă suferă de unele neajunsuri menționate anterior. O metodă de investigare care permite evaluarea răspunsului seismic al unei structuri la scară naturală este încercarea pseudo-dinamică. Conceptul a fost propus pentru prima dată de Hakuno et al (1969) și Takanashi et al. (1974). Principial, o încercare pseudo-dinamică constă în combinarea unei încercări experimentale efectuate în regim quasi-static pe o structură la scară naturală cu simularea pe calculator a efectului dinamic a acțiunii seismice (vezi figura de mai jos). Ipoteza de bază pe care se bazează încercarea pseudo-dinamică constă în posibilitatea descrierii răspunsului dinamic al unei structuri pe baza unui model cu un număr finit de Grade de Libertate Dinamice (GLD).

Ecuația de mișcare a unui sistem cu mai multe GLD poate fi exprimat prin intermediul unu sistem de ecuații diferențiale de forma:

unde M și C sunt matricele masei, respectiv a amortizării, a(t) și v(t) sunt vectorii accelerației, respectiv a vitezei, r(t) este vectorul forțelor de revenire a structurii, iar ag(t) este accelerograma care reprezintă acțiunea seismică.

Pentru a simula acțiunea seismică asupra structurii experimentale, modelul numeric al structurii este analizat sub acțiunea unei accelerograme reprezentând mișcarea seismică la care este supusă structura. Rezultatul acestei analize obținute prin integrarea numerică a ecuației de mișcare o reprezintă deplasările x(t) de-a lungul gradelor de libertate dinamice considerate. Aceste deplasări sunt aplicate pe structura încercată prin intermediul unor actuatori hidraulici cu servo-control fixați de un perete de reacțiune. Captorii de forță din actuatori înregistrează forțele generate în structură în urma aplicării deplasărilor impuse și acestea sunt transmise către sistemul de calcul pentru a fi folosite în integrarea ecuației de mișcare în pasul următor (Taucer și Franchioni, 2004). Datorită faptului că forțele de inerție sunt modelate numeric, o încercare pseudo-dinamică nu se efectuează în timp real. Controlul actuatorilor este efectuat în regim quasi-static, ceea ce permite folosirea unor resurse relativ reduse de putere hidraulică.

Încercarea pseudo-dinamică este în general considerată ca fiind complementară celei pe masa vibrantă. În tabelul de mai jos sunt sintetizate avantajele și dezavantajele cheie ale celor două metode de încercare:

încercarea pe masa vibrantă încercarea pseudo-dinamică
necesită costuri de realizare și mentenanță ridicate pot fi realizate cu ajutorul unor echipamente uzuale în încercările quasi-statice (perete de reacțiuni și actuatori)
dimensiunea fizică a modelului experimental sunt limitate în dimensiune permite efectuarea de încercări la scară naturală
influența vitezei de încărcare este considerată efectele vitezei de încărcare nu sunt considerate direct
poate fi aplicată structurilor cu o distribuție continuă a masei (număr infinit de grade de libertate dinamică) nu este potrivită pentru structurile cu o distribuție continuă a masei (număr infinit de grade de libertate dinamică)
timpul scurt în care se derulează încercarea îngreunează observarea detaliată a răspunsului structurii durata încercării este ridicată, ceea ce permite observarea detaliată a răspunsului modelului experimental

Pentru a efectua încercări pseudo-dinamice laboratorul trebuie să fie dotat cu un perete de reacțiune și un planșeu puternic (vezi figura de mai jos). Un perete de reacțiune (reaction wall) este o instalație experimentală care permite efectuarea unor încercări experimentale pe structuri la scară naturală. Acesta este folosit aproape exclusiv împreună cu un planșeu puternic (strong floor). Perete de reacțiune servește la fixarea actuarilor care încarcă structura, iar planșeul puternic la fixarea structurii. Peretele de reacțiune trebuie să posede o rezistență sensibil mai mare decât cea a structurilor încercate, iar deformațiile peretelui de reacțiune trebuie să fie cu câteva ordine de magnitudine inferioare celor ale structurilor încercate. Pentru a permite fixarea actuatorilor de peretele de reacțiune și a structurii de planșeul puternic, acestea sunt prevăzute cu o rețea de găuri dispuse într-un caroiaj rectangular la distanțe cuprinse între 0.25 și 1.0 m (Taucer și Franchioni, 2004). Peretele de reacțiune împreună cu planșeul puternic oferă o flexibilitatea foarte mare în tipul de încercări quasi-statice și pseudo-dinamice care pot fi efectuate.

Peretele de reacțiune și planșeul puternic de la Laboratorul European pentru Încercări pe Structuri (European Laboratory for Structural Assessment - ELSA) de la Centrul Comun de Cercetări (Joint Research Centre) de la Ispra.

Bibliografie:

ECCS (1985). "Recommended Testing Procedures for Assessing the Behaviour of Structural Elements under Cyclic Loads", European Convention for Constructional Steelwork, Technical Committee 1, TWG 1.3 – Seismic Design, No.45

Priestley, M.J.N., (1997) Displacement-Based Seismic Assessment of Reinforced Concrete Buildings, Journal of Earthquake Engineering, Vol. 1, No.1, 157-192

Taucer, F. and Franchioni, G. (ed.) (2004). "Directory of European facilities for seismic and dynamic tests in support of industry". Report No. 6 of the CASCADE project

4.2. Obiectivele generale și specifice ale proiectului.

În cadrul CEMSIG a existat o strategie pe termen mediu coerenta de dezvoltare a capacitatii de experimentare si prelucrare numerica, incepand din perioada programelor TEMPUS si continuand cu programele de cercetare – dezvoltare majore precizate anterior. In ultimii ani, CEMSIG a beneficiat de dotari in cadrul structurii existente a laboratorului, prin programul CEEX MATNANTECH „STOPRISC”, respectiv prin programul "Platforme/ Laboratoare de formare si cercetare interdisciplinara" la care director este prof. dr. ing. Dan Dubina. Prezentul proiect propune realizarea unei facilitati complet noi, cu cladire separata, fara echivalent pe plan national, care va beneficia si de infrastructura existenta (utilaje manipulare, atelier mecanic, platforma mobila, etc.).

În prezent laboratorul centrului de excelență CEMSIG dispune de o serie de facilități experimentale, printre care se numără un stand experimental cu actuatori de 500 kN și 1000 kN (cu grup hidraulic și controller), captori de deplasare și forță, inclinometre, stații de achiziție statică și dinamică, prese universale de 10 kN și 250 kN, aparat de duritate Brinell, pendul Charpy de 300J cu cameră de temperatură (-60/ +80°C), etc. Aceste dotări permit efectuarea unei game variate de încercări pe materiale, cât și pe subansamble (de exemplu noduri riglă-stâlp). Exemple de încercări statice și quasi-statice pe subansamble efectuate în trecut la centrul de excelență CEMSIG sunt prezentate la punctul 4.1. Totuși, datorită dimensiunilor sale (gabarit interior de aproximativ 4x4.5m), standul actual limitează dimensiunea specimenelor care pot fi încercate. În plus, fiind o structură ușoară, hala existentă nu poate fi dotată cu un pod rulant, ceea ce îngreunează manevrarea specimenelor și a actuatorilor. Sistemul de control al actuatorilor permite aplicarea unor forțe sau deplasări cu variații predefinite (rampă, triunghiulară, sinusoidală, arbitrară), specifice încercărilor quasi-statice monotone și ciclice. Cu toate că reprezintă un instrument puternic de evaluarea a performanței seismice a elementelor și subansamblelor structurale, încercările quasi-statice care pot fi efectuate cu dotările existente au două neajunsuri. Acestea sunt incapacitatea de a efectua încercări pe modele de structuri la scară naturală (1:1) și aplicarea unei proceduri de încărcare care să reflecte fidel comportarea structurii la acțiunea seismică (spre deosebire de variațiile predefinite ale încărcării).

Obiectivul general al proiectului îl constituie extinderea capacității experimentale a laboratorului centrului de excelență CEMSIG prin realizarea unui stand experimental nou, alcatuit dintr-un zid de reactiune amplasat pe o platforma puternica si pod rulant dispus pe o structura acoperita. Această facilitate nouă va permite încercarea unor modele de structuri cu 1-3 nivele, la scară naturală (1:1) sau apropiată de aceasta. Peretele de reacțiune va avea o lățime de 5 m și o înălțime de 6.5 m. Încercările la scară naturală sunt esențiale pentru evaluarea performanței structurilor în domeniul inelastic, deoarece încercările pe modele la scară redusă, efectuate folosind teoria similitudinii, sunt potrivite doar în domeniul elastic. Pe lângă încercările pe modele de structuri, peretele de reacțiune și planșeul puternic vor permite și efectuarea unor încercări pe elemente independente și subansamble, oferind o flexibilitate mai mare în alcătuirea a diverse montaje experimentale.

Deoarece spațiul existent în laboratorul actual nu permite amplasarea zidului de reacțiune și nici dispunerea pudului rulant, indispensabil pentru standul experimental nou, în continuarea halei existente se va construi o extindere. Extinderea va avea o înălțimea mai mare decat laboratorul existent, ceea ce va face posibilă realizarea peretelui de reacțiune cu o înălțime suficientă pentru încercarea unor modele de structuri cu până la trei nivele, precum și amplasarea podului rulant, care va permite manipularea facilă a specimenelor experimentale și a actuatorilor.

Un alt obiectiv îl constituie dotarea laboratorului cu doi actuatori de mare capacitate (2x1000 kN), dotați cu grup hidraulic și controller proprii. Împreună cei doi actuatori existenți (de 500 kN și 1000 kN), noile facilități vor permite efectuarea unor montaje experimentale mai complexe decât cele care pot fi realizate în prezent, ceea ce va avea avantajul unei reproduceri mai fidele a stării de eforturi și deformații din structura reală. În plus, cei patru actuatori vor permite realizarea unor încercări pe structuri la scară naturală (1:1) cu până la două nivele (în cazul unor modele spațiale) și cu până la trei nivele (în cazul unor modele plane). În figurile de mai jos se prezintă câteva montaje experimentale posibile.

Montaj experimental pentru încercarea primului nivel al unei structuri multietajate, cu simularea încărcării verticale și a celei orizontale (stânga) și montaj pentru încercarea unui model de nod riglă-stâlp (dreapta).

Montaj experimental pentru încercarea unui model plan (stânga) și spațial (dreapta) al unei structuri multietajate.

Pe lângă posibilitatea efectuării unor încercări pe structuri la scară naturală (1:1), ansamblul de patru actuatori dotați cu grup hidraulic și controller vor permite efectuarea de încercări pseudo-dinamice. Acest tip de încercări au avantajul că reproduc solicitarea seismică a unei structuri combinând încercarea experimentală a structurii cu determinarea forțelor de inerție generate de o mișcare seismică prin analiza numerică a structurii. Pe lângă existența facilităților experimentale (perete de reacțiune, planșeu puternic, actuatori, sistem de achiziție și control) mai este necesar și de un sistem de legătură între partea experimentală și modelul experimental. În prezent există un sistem dezvoltat la JRC Ispra și un altul (OpenFresco) dezvoltat în cadrul programului american NEES (George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation).

S-a achizitionat un echipament format din 2 actuatori, o unitate hidraulica de putere, controller si software pentru efectuarea de incercari quasi-statice (monotone si ciclice) si pseudodinamice. Actuatorii sunt corespunzatori pentru aplicatii la oboseala cu cicluri reduse si au capacitatea de minim 650 kN intindere, respectiv 1000 kN compresiune. Cursa actuatorilor este de +\- 375 mm.

Actuatorii sunt dotati cu captor intern de deplasare si forta, calibrati in conformitate cu ISO 17025. Nivelul de zgomot al sistemului hidraulic este de maxim 70 db(A) la o distanta de 1m, debitul nominal 200 lpm, cu posibilitatea de extindere la 300 lpm. Sistemul are posibilitate de cuplare cu o alta unitate hidraulica de putere de pana la 300 lpm pentru un debit total de 600 lpm, capacitatea rezervorului fiind de 900 l. Sunt prevazute sisteme de protectie pentru depasirea temperaturii uleiului, presiunii uleiului, starii filtrului de ulei si temperaturii motorului. Sistemul de control este de tip digital si ofera control in timp real. Procesor este capabil de o rata de actualizare de 6 kHz (aplicabil sistemului de control si achizitii de date). Sistemul suporta pana la 4 canale de control si pana la 2 statii de incercare. Sistemul poate fi extins in viitor la 8 canale de control. Sistemul are prevazuta telecomanda pentru ajustare a pozitiei actuatorului, care ofera posibilitatea de pornire/oprire a incercarii si pornirea/ oprirea pompelor hidraulice. Exista si iesiri pentru canale analog - 8 canale analogice pentru transmiterea datelor catre o statie de achizitie externa.

Sistemul software pentru incercari quasi-statice ruleaza sub Windows XP si permite afisarea in timp real a unor grafice cu parametrii de incarcare. Display-ul digital ofera posibilitatea afișării valorilor minime/maxime, a amplitudinii medii, a fortei si prelucrarea datelor. Sistemul software permite generarea unor semnale ciclice triunghiulare, dreptunghiulare și sinusoidale, cât și folosirea unor semnale arbitrare definite de utilizator în fișiere ASCII. Aceste semnale vor putea fi impuse specimenelor în control de forță sau deplasare. Sistemul permite efectuarea unui număr prestabilit de cicluri de încărcare.

Programul permite efectuarea unor incercari monotone si ciclice in control in forta, in control in deplasare – captor intern si in control in deplasare – captor extern. Sistemul permite efectuarea a 2 incercari independente in acelasi timp, de pe acelasi calculator, cat si de pe 2 calculatoare diferite.

Software-ul pentru incercari pseudo-dinamice ofera posibilitatea de realizare a unor încercari pseudodinamice, si are disponibila sursa programului in C++, Basic sau Fortran astfel incat permite integrarea altor algoritmi de integrare numerica de către utilizator.

In dotarea laboratorului exista un sistem produs de Quiri format din 2 actuatori de 1000 kN si 500 kN si o unitate hidraulica de putere. Sistemul existent a fost integrat in noul sistem, astfel incat actuaotrii Quiri sa fie cuplati la pompa Quiri existenta, dar sa fie operati prin controllerul nou, pentru a permite operarea simultana si independenta a actuatoruilor noi si a celor existenti.

Zidul de reactie s-a realizat in solutie metalica, formand o structura cu 4 deschideri (5 stalpi pentru rezemarea actuatorilor, in diverse variante posibile, atat pe latimea cat sip e inaltimea zidului) si 2 travei. Avand in vedere eforturile mari si necesitatea limitarii deplasarilor, structura a fost puternic contravantuita. Organe de asamblare: suruburile de înalta rezistenta sunt din grupa de caracteristici mecanice 10.9 conform STAS 2700/3 - 89, cu piulite din grupa de caracteristici 10 conform SR EN 20898-2:1997 si saibe conform STAS 8796/3 - 89. Buloanele de ancoraj sunt din grupa 6.6. Elementele structurii metalice se clasifica conform STAS 767/0-88 în categoria de executie B. Ansamblele s-au grunduit, respectiv vopsit.

In cadrul structurii zidului de reactie s-a inclus si structura din otel a planseului puternic, realizata dintr-o retea de profile europene, cu sisteme de prindere pentru specimenele care vor fi testate. In figura urmatoare se prezinta imaginea 3D extrasa din proiectul structurii zidului de reactie si a planseului puternic.

Structura zid reactie stand experimental (extras 3D din proiect)

Zid de reactie amplasat in extinderea laboratorului CEMSIG

Pod rulant 5 tone amplasat in extinderea laboratorului CEMSIG

Structura acoperita, extindere a laboratorului CEMSIG

4.3.Servicii ST oferite de noul laborator. Modalități de utilizare a rezultatelor proiectului (estimarea rezultatelor așteptate, beneficii preconizate), potențiali beneficiari, atragerea tinerilor.

Noile facilități experimentale (perete de reacțiune, planșeu puternic, actuatori, sistem de control) vor permite efectuarea de încercări la scară naturală (1:1) sau apropiată de aceasta pe modele de structuri și pe subansamble, atât în regim quasi-static, cât și pseudo-dinamic. Încercarea pseudo-dinamică pe structuri la scară naturală este o metodă modernă și inovativă de evaluarea a răspunsului seismic al structurilor. Facilitățile experimentale noi dezvoltate la laboratorul centrului de excelență CEMSIG ca urmare a acestui proiect vor impulsiona dezvoltarea unor soluții de protecție antiseismică a construcțiilor noi și a celor existente, prin posibilitatea validării răspunsului seismic prin încercări pseudo-dinamice la scară naturală. Tot mai des sunt utilizate sisteme de protecție antiseismică cu elemente disipative concepute special în acest sens. Performanța globală a structurilor dotate cu sisteme disipative necesită nu doar studii numerice, ci și verificări experimentale la scară naturală.

Existența acestei facilități experimentale unice în contextul științific din România și din Europa de Est va servi la atragere de masteranzi, doctoranzi și tineri cercetători. Pe lângă atragerea masteranzilor și doctoranzilor români, facilitățile experimentale existente și cele noi vor servi ca suport și pentru programe de studii internaționale, la care este parte Facultatea de Construcții de la Universitatea Politehnica din Timișoara.

Laboratorul pentru încercări pe structuri la scară mare va constitui o dezvoltare a laboratorului centrului de excelență CEMSIG, integrat în platforma de cercetare și dezvoltare interdisciplinară "Centrul de Studii Avansate si Cercetare in Ingineria Materialelor si Structurilor - CESCIMS".

4.4. Condițiile de acces pentru terți (program de acces, documentații disponibile, condiții/ costuri de acces, personalul care asigură utilizarea etc.)

Facilitatea experimentala dezvoltata prin acest proiect va functiona din punct de vedere logistic in cadrul Departamentului de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor din Universitatea “Politehnica” din Timisoara, pe structura de cercetare a Centrului de Excelenta CEMSIG, care este beneficiarul direct al acestui proiect. Laboratorul de incercari la scara mare va integra insa si activitati de la alte departamente din cadrul universitatii, cum este departamentul CCIA (Constructii cilive, industriale si agricole) in cadrul caruia activeaza centrul de cercetare CESMAST, cu care CEMSIG a avut si are colaborari in programe de cercetare (spre exemplu activitate comuna in cadrul FP6 PROHITECH). Studentii, doctoranzii si cadrele didactice vor avea acces la facilitatea exerimentala in cadrul programelor de formare si a proiectelor de cercetare la care participa si pentru care vor dori sa o utilizeze. Din acest punct de vedere, accesul la facilitatea experimentala dezvoltata prin proiect va fi restrictionat doar din punct de vedere al programului de desfasurare a incercarilor experimentale. Programul de acces/ functionare va fi acelasi cu programul laboratorului CEMSIG existent si nu se pun conditii speciale de acces si nici costuri relative la acesta. Costurile pentru intretinerea spatiului laboratorului si utilitati se vor acoperi din regii, aplicate în conformitate cu prevederile legale și reglementările interne. Personalul existent din cadrul laboratorului CEMSIG va deservi si facilitatea experimentala nou creata. Facilitatea experimentala dezvoltata prin proiect va intesifica si amplifica participarea in programe si proiecte la nivel national si international. Se are in vedere deasemenea realizarea de servicii de cercetare pentru partenerii economici din tara si spatiul european.

4.5. Modul în care investiția conduce la implicarea în proiecte internaționale/europene.

Centrul de excelență CEMSIG participă constant la programe de cercetare naționale și internaționale de anvergură. Printre proiectele desfășurate în trecut sau în curs de desfășurare, se menționează:

Proiectul European FP4 INCO-COPERNICUS "Reliability of Moment Resistant Connections of Steel Building Frames in Seismic Areas - RECOS", desfășurat în perioada 1997-1999, în cadrul unui parteneriat între 8 universități europene.

Grantul major C16 "Construcții amplasate în zone cu mișcări seismice puternice", finanțat de Guvernul României și Banca Mondială, desfășurat între 1998-2001, coordonat de către Universitatea Politehnica din Timișoara, în parteneriat cu Universitatea Tehnică de Construcții București.

Proiectul European FP6 "Earthquake protection of historical buildings by reversible mixed technologies - PROHITECH", perioada de desfășurare 2004-2007, într-un parteneriat între 16 țări europene și mediteraneene.

Proiectul CEEX MATNANTECH "Sisteme constructive si tehnologii avansate pentru structuri din oteluri cu performante ridicate destinate cladirilor amplasate in zone cu risc seismic - STOPRISC", perioada de desfășurare 2005-2008, coordonat de către Universitatea Politehnica din Timișoara, în parteneriat cu Academia Română filiala Timișoara și Institutul Național de Cercetare Dezvoltare în Sudură și Încercări de Materiale (ISIM).

Programul european RFCS "Steel solutions for seismic retrofit and upgrade of existing constructions" - STEELRETRO, 2007-2009.

COST – C25 "Sustenability of constructions: Integrated Approach to life-time Structural Engineering", 2006-2010

COST – C26 "Urban Habitat Constructions under catastrofic events" 2006 – 2010

Facilitățile experimentale nou create, cu caracter unic în România și în Europa de Est, vor îmbunătăți capacitatea centrului de excelență CEMSIG de implicare în proiecte internaționale/europene.

5. IMPACTUL GENERAT DE PROIECT – BENEFICIARI

5.1.Impactul tehnologic/ științific: contribuția proiectului la cercetarea națională, gradul de noutate și complexitate al soluțiilor propuse, în relație cu investiția făcută (caracteristicile echipamentului achiziționat/ laboratorului dezvoltat).

Laboratoarele din domeniul construcțiilor care dispun de facilități experimentale semnificative încercărilor în ingineria seismică se află la Universitatea Politehnica din Timișoara, Universitatea Tehnică de Construcții din București și la Universitatea Tehnica "Gh. Asachi" din Iași.

Principalele echipamente existente la centrul de excelență CEMSIG de la Universitatea Politehnica din Timișoara sunt doi actuari hidraulic de 500 kN și 1000 kN, montați într-un cadru experimental, și care permit efectuarea de încercări statice și quasi-statice (monotone și ciclice) pe elemente și subansamble. Laboratorul dispune de o mașina universala de încercări dinamice cu capacitatea de 1000 kN, care permite efectuarea de încercări quasi-statice și dinamice în regim monoton și ciclic pe componente de dimensiuni reduse (detalii de suduri, îmbinări cu șuruburi, dispozitive disipative, etc.).

Universitatea Tehnică de Construcții București dispune de un cadru de reacțiune, care dispune de un cilindru hidraulic vertical cu capacitatea de 2000 kN și doi cilindri hidraulici orizontali, cu capacitatea de 1000 kN. Dimensiunea maximă a specimenele este de 2.5x3 m. Sistemul permite realizarea unor încercări statice și quasi-statice în regim monoton și ciclic.

La Universitatea Tehnica "Gh. Asachi" din Iași există o platformă seismică care permite efectuarea de încercări dinamice pe modele de structuri.

Realizarea unui perete de reacțiune și a planșeului puternic la laboratorul centrului de excelență CEMSIG va permite de efectuarea unor încercări quasi-statice și pseudo-dinamice pe modele de structuri la scară naturală (1:1) sau apropiată de aceasta. Acest tip de încercări vor reprezenta o premieră în România, iar facilitatea experimentală creată va avea un caracter unic la nivelul Europei de Est. Încercările pseudo-dinamice la scară naturală reprezintă preocuparea laboratoarelor de vârf, cum ar fi JRC (Joint Research Centre) de la Ispra, Italia, Building Research Institute, Japonia și a unor laboratoare din cadrul programului american NEES (George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation). În acest moment, pe plan european, încercarea pseudo-dinamică este folosită la Universitatea din Trento (Italia), existând preocupări pentru implementarea acesteia la Universitatea din Porto (Portugalia) și la Middle-East Technical University din Ankara (Turcia).

Dezvoltarea capacității de efectuare a încercărilor pseudo-dinamice la scară naturală la centrul de excelență CEMSIG de la Universitatea Politehnica din Timișoara, va crește gradul de colaborare cu centre de cercetare internaționale, integrând laboratorul centrului de excelență CEMSIG în rețeaua laboratoarelor europene care efectuează încercări dinamice (pe platforme seismice) și pseudo-dinamice. Pe de altă parte, vor fi create premizele unei mai bune colaborări între laboratoarele de încercări pe structuri din România, ca urmare a complementarității tipurilor de încercări experimentale (quasi-statice, pseudo-dinamice și dinamice) posibile în laboratoarele de structuri din Timișoara, București și Iași.

5.2 Impactul economic/ social, oportunități de servicii ST, pentru dezvoltare socio-economică regională ca urmare a investițiilor în infrastructura de CDI, rolul științei în societate etc.

România este o țară cu un risc seismic ridicat. În prezent există un număr mare de clădiri care au nevoie de reabilitare / consolidare seismică. Facilitățile experimentale dezvoltate la laboratorul centrului de excelență CEMSIG vor permite validarea experimentală a unor sisteme inovative de reabilitare seismică, prin încercări pseudo-dinamice pe modele de structuri la scară naturală (1:1). Pe lângă reabilitarea construcțiilor existente, încercările experimentale pseudo-dinamice vor impulsiona dezvoltarea unor noi sisteme structurale și dispozitive de disipare a energiei seismice pentru construcțiile noi. Implementarea unor soluții structurale noi și reabilitarea seismică a construcțiilor existente vor conduce la diminuarea riscului seismic, oferind o siguranță în dezvoltarea mediului economic și social.

Serviciile de efectuare a încercărilor experimentale vor fi disponibile atât pentru alte centre de cercetare din România și din regiune, cât și pentru mediul economic.

5.3. Impactul asupra calității mediului și conservarea resurselor naturale, stării de sănătate etc.

Noua facilitate experimentală va cuprinde echipamente realizate în conformitate cu standardele moderne de calitate. Noul stand experimental, alcatuit din zidul de reactiune si structura acoperita pe care se dispune podul rulant va fi realizat în soluție metalică, oțelul fiind un material 100% recuperabil și reciclabil. Se estimează că prin cercetările experimentale efectuate se va crea premiza pentru dezvoltarea unor soluții structurale noi, rezistente la acțiunea seismică, adecvate conceptului de dezvoltare durabilă.

6. CALITATEA PERSONALULUI

Echipa implicata în proiect s-a constituit în funcție de complementaritatea competențelor.

Echipa UPT-CEMSIG are experienta in participarea la proiecte de anvergura, nationale si nternationale, in relatie cu tema proiectului.

Pot fi mentionate aici urmatoarele proiecte,  derulate in ultimii ani sau in derulare, la care director este prof. dr. ing. Dan DUBINA, directorul Centrului de Cercetare CEMSIG: proiectul european COPERNICUS RECOS ERB IC15-CT96-2001, „Reliability of moment resistant connections of steel building frames in seismic areas” coordonat de Universitatea din Neapole,  Grantul Major Banca Mondiala CNCSIS Cod C16 „Siguranta la cutremur a constructiilor din Romania amplasate in zone cu miscari seismice puternice” (coordonator UPT-CEMSIG Prof. Dan Dubina), Proiectul European FP6 "Earthquake protection of historical buildings by reversible mixed technologies - PROHITECH" (2004-2007) într-un parteneriat între 16 țări europene și mediteraneene, Programul european RFCS "Steel solutions for seismic retrofit and upgrade of existing constructions" – STEELRETRO (2007-2009).

Prof. dr. ing. Dan Dubina, Directorul centrului de cercetare CEMSIG este președinte al Asociației Producătorilor de Construcții Metalice din România, respectiv membru în comitetul executiv al Convenției Europene de Construcții Metalice (ECCS) si are printre domeniile de competenta: aplicarea metodelor numerice si experimentale in calculul structurilor, comportarea structurilor metalice si mixte in zone seismice.

Conf. dr. ing. Raul Zaharia, responsabilul de proiect, are experienta in domeniul metodelor si tehnicilor experimentale, prin temele de cercetare efectuate in cadrul centrului de Excelenta CEMSIG – Timisoara cu program experimental, cat si prin stagiile de specializare efectuate in laboratoarele de la Universitatea din Liege, Belgia, in anul 1997, Universitatea din Trento, Italia, in anul 1999 si la Centrul de Cercetare al Comisiei Europene de la Ispra, Italia, intre anii 2003-2005. In cadrul stagiului efectuat la laboratorul ELSA din cadrul Centrului de Cercetare de la Ispra, a participat efectiv la programe de cercetare experimentala, vizand conformarea antiseismica a structurilor pentru constructii, prin incercari de tip pseudo-dinamic, la scara reala, in relatie directa cu tema proiectului.

Drd. Ing. Nicolae Muntean, responsabil laborator CEMSIG, este doctorand in cadrul facultatii de Constructii cu tema de doctorat: „Studiul Comportarii imbinarilor structurale din oteluri de inalta rezistenta solicitate la actiuni seismice”,

Conf. dr. ing. Aurel Stratan a sustinut in anul 2003 teza de doctorat cu titlul "Studiul comportării clădirilor multietajate cu cadre metalice duale amplasate în zone seismice" si are o bogata activitate in domeniul ingineriei seismice si analizei experimentale.

Conf.dr.ing Adrian Ciutina, a sustinut in anul 2003 teza de doctorat in cotutela cu titlul "Assemblages et comportement sismique de portiques en acier et mixtes acier - béton : expérimentation et simulation numérique" si are desemenea o bogata activitate in domeniul temei proiectului.

Conf. dr. ing. Florea Dinu, are printre domeniile de competenta comportamentul structurilor metalice in zone seismice si, ca aspect relevant pentru proiectul de fata se mentioneaza ca a fost membru in comitetul managerial din partea Romaniei la Programul European de Cercetare COST actiunea C12: Improving buildings' structural quality by new technologies (1999-2004), respectiv este membru in comitetul managerial al Programului european de cercetare COST Actiunea C26 „Urban Habitat Constructions under Catastrofic Events” (2006-2010).

7. DATE DE CONTACT

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN TIMIȘOARA

DEPARTMENTUL DE CONSTRUCTII METALICE SI MECANICA CONSTRUCTIILOR

CENTRUL DE EXCELENTA PENTRU MECANICA MATERIALELOR SI SIGURANTA STRUCTURILOR - CEMSIG

IoanCurea1, 300224 Timișoara, ROMÂNIA

Fax. ++40.256.403932

Director Departament CMMC, Director CEMSIG:

Prof. dr. ing. Dan Dubina, tel: 0256403920,

Responsabil Proiect:

Conf. dr. ing. Raul Zaharia, tel: 0256403922,

Responsabil Laborator:

Drd. Ing. Nicolae Muntean, tel: 0256403923,