Grinzi de cuplare și IDEA StatiCa

Grinzile de cuplare sunt adăugate de obicei unei structuri pentru a îmbunătăți rezistența acesteia la forțe laterale. Ele leagă două elemente separate și independente (cum ar fi pereții de forfecare) pentru a adăuga rigiditate sistemului global. Sunt de obicei scurte și groase, similare grinzilor perete. În clădirile din beton, în special, acestea iau forma grinzilor din beton, care sunt adesea unele dintre cele mai critice elemente.

Figura 1. Fisher, Andrew W., et al. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, vol. 114, no. 6, Nov.-Dec. 2017, pp. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Accessed 1 Nov. 2022.

Grinzile de cuplare au două roluri în majoritatea clădirilor. În primul rând, grinda cuplează doi pereți de forfecare pentru a crește momentul de rezistență. Dacă aveți doi pereți de forfecare necuplați, forța exercitată dinspre un perete nu ar influența al doilea perete, deoarece aceștia nu sunt conectați prin grinzi cu o secțiune transversală dreptunghiulară tipică. Aceasta înseamnă că forța exercitată va afecta doar un perete, ceea ce ar putea cauza mișcări independente față de celălalt. Acest lucru reduce semnificativ integritatea structurală a clădirii. Prin contrast, prin cuplarea celor doi pereți, se reduce tensiunea atrasă de fiecare perete prin distribuirea forțelor de la un perete la celălalt prin sistemul de grinzi. Grinzile de cuplare distribuie, de asemenea, forța laterală pe lungimea celui de-al doilea perete, ceea ce răspândește în continuare întinderea de-a lungul elementului și îmbunătățește rezistența globală a elementelor structurale.

Figura 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679

Al doilea rol al unei grinzi de cuplare este de a acționa ca sursă de disipare a energiei în condiții de solicitări extreme. De exemplu, în cazul unui cutremur, o clădire trebuie să fie rezistentă la presiune. Pentru a fi rezistentă, o structură nu poate fi prea rigidă. Altfel, în cazul unui cutremur (de exemplu), clădirea s-ar rupe la nivelul stâlpului de perete și s-ar prăbuși. Prin contrast, o ușoară flexibilitate sub presiuni extraordinare înseamnă că structura este mult mai capabilă să mențină integritatea structurală esențială sub presiune.

O grindă de cuplare atât consolidează proiectul unei clădiri în ansamblu, cât și este proiectată să cedeze prima pentru a proteja părțile mai vitale ale clădirii în cazul unor solicitări extreme. Prin adaptarea mișcării clădirii în proiectarea grinzilor, inginerii structuriști realizează structuri mai stabile și mai sigure.

Modele de grinzi de cuplare

Modelul poate fi împărțit în funcție de mecanismul de disipare a energiei în raport de cuplare scăzut/ridicat. Datorită raportului de armare și în principal raportului lungime/înălțime, mecanismul articulațiilor plastice se va dezvolta pe grinzile de cuplare. Modelul 1 de mai jos are un raport de cuplare scăzut și l/h >4 și poate fi proiectat conform teoriei grinzilor, iar articulațiile plastice vor apărea la capetele grinzii. Modelele 2 și 3 de mai jos au un raport de cuplare ridicat cu l/h<2, ceea ce conduce la mecanisme diferite de articulații plastice cauzate de forța de forfecare. Modelele au fost modelate și verificate conform codului în IDEA StatiCa Detail și IDEA StatiCa Member.

Figura 3. Tipuri de grinzi de cuplare în funcție de raportul de cuplare și dezvoltarea articulațiilor plastice

Încărcări și optimizare topologică

Pereții de forfecare pot servi ca sistem structural eficient pentru rezistența la încărcări laterale, cum ar fi cutremurele sau vântul, în clădirile înalte. Grinzile de cuplare care conectează acești pereți, care se comportă independent pe fiecare etaj, pot îmbunătăți capacitatea de rezistență laterală a clădirii și pot disipa energia. Forțele interioare induse de aceste încărcări dinamice sunt în principal forțe în plan. Tensiunile principale relevă zonele cele mai solicitate ale structurii și ne ajută să înțelegem dispunerea corectă a armăturii. Optimizarea topologică utilizează metoda Bielă-tiranți, care este familiară inginerilor structuriști.

Figura 4.1. Forțe interioare și optimizare topologică pentru raport de cuplare scăzut

Figura 4.2. Forțe interioare și optimizare topologică pentru raport de cuplare ridicat

Mecanismul articulațiilor plastice

Articulațiile plastice se dezvoltă în funcție de raportul de cuplare. Grinzile de cuplare de tip grindă perete cu raport de cuplare ridicat dezvoltă articulații plastice la forfecare situate în mijlocul grinzii. Pe de altă parte, o grindă cu raport de cuplare scăzut valorifică rigiditatea scăzută la încovoiere a grinzilor pentru a crea articulațiile plastice la capetele grinzilor de cuplare. 

Figura 5. Articulații plastice la forfecare și încovoiere

Singularități vs. tensiuni

Colțul ascuțit creat la joncțiunea grinzii de cuplare cu peretele de forfecare generează un vârf local de tensiune care distorsionează rezultatele modelului. Acest vârf este cauzat de singularitățile de la punctul colțului reentrant ascuțit. Întrebarea este cum să se gestioneze aceste vârfuri în modelele propriu-zise. Aflați mai multe aici.

Verificarea conform codului a grinzilor de cuplare

Verificarea conform codului, în conformitate cu normativul, reprezintă partea principală a procedurii de analiză. Să investigăm ce putem obține din rezultate pentru grinzile de cuplare din beton și hibride utilizând IDEA StatiCa Detail și IDEA StatiCa Member.

Grinzi de cuplare – raport de cuplare scăzut

Datorită detaliilor relativ simple și ușurinței de execuție, grinda de cuplare convențională din beton armat este cel mai utilizat tip de grindă de cuplare în proiectarea clădirilor. În zonele cu risc seismic scăzut, grinzile de cuplare convenționale din beton armat sunt uneori dimensionate mai late decât pereții de forfecare la care se conectează, în clădirile cu planșee plate. Cu toate acestea, grinda de cuplare convențională din beton armat nu oferă capacități bune de disipare a energiei sub tensiuni de forfecare ciclice ridicate, iar fenomene semnificative de „strângere" sunt prezente în răspunsul său histeretic. Cedarea prin forfecare diagonală și cedarea prin forfecare prin alunecare nu pot fi evitate la acest tip de grindă de cuplare, chiar și cu detalii de armare transversală cu spațiere redusă.

Figura 6. Tensiunea principală la compresiune 

Figura 7. Tensiunea în barele de armătură

 Figura 8. Tensiunea de aderență la ancoraj în armătură

 Figura 9. Dezvoltarea și direcția fisurilor

 Figura 10. Săgeata nelineară 

Grinzi de cuplare – raport de cuplare ridicat

Grinzile de cuplare din beton armat cu armătură diagonală sunt recunoscute ca cel mai eficient tip de grindă de armare pentru asigurarea unui comportament ductil cu o capacitate excelentă de disipare a energiei, în special atunci când raportul deschidere/înălțime este mai mic de doi. Deși grinzile de cuplare cu armătură diagonală prezintă o rigiditate excelentă și capacități de disipare a energiei extrem de ductile, unele probleme de executabilitate le limitează aplicarea.

Figura 11. Tensiunea principală la compresiune 

Figura 12. Tensiunea în barele de armătură

 Figura 13. Tensiunea de aderență la ancoraj în armătură

 Figura 14. Dezvoltarea și direcția fisurilor

Figura 15. Săgeata nelineară 

Grinda de cuplare hibridă

Grinzile de cuplare sunt dificil și consumatoare de timp de reparat odată deteriorate după un cutremur. Recent, mai mulți cercetători au dezvoltat diverse tipuri de grinzi de cuplare înlocuibile care pot fi reparate post-cutremur. O preocupare principală pentru grinda de cuplare înlocuibilă este îmbunătățirea capacității sale de auto-centrare pentru a reduce deriva reziduală a structurilor. 

Figura 16. Model de grinzi de cuplare hibride

Figura 17. Tensiunea echivalentă

Figura 18. Prima formă de flambaj liniar 

Figura 19. A doua formă de flambaj liniar

Figura 20. GMNIA și forma deformată

Concluzie

Fiecare tip de grindă de cuplare adoptat de industrie are propriile avantaje și limitări. Cu toate acestea, niciun tip unic de grindă de cuplare nu este aplicabil tuturor cazurilor în proiectarea clădirilor. Grinda de cuplare convențională din beton armat este adesea cea mai fezabilă și economică grindă de cuplare atunci când tensiunea de forfecare în grindă este scăzută și grinda este controlată de încovoiere. Când rapoartele deschidere/înălțime ale grinzii de cuplare sunt mici, sunt de așteptat tensiuni de forfecare ridicate. Limitările acestor tipuri de grinzi de cuplare și cerințele asociate de ancoraj trebuie avute în vedere la alegerea unui tip adecvat de grindă de cuplare pentru proiecte specifice. Ca întotdeauna, proiectantul ar trebui să ia în considerare preferințele echipei de construcție ori de câte ori este posibil, deoarece mulți antreprenori vor avea opinii diferite legate de fiecare metodologie.