Clădirea de birouri ”Orhideea Towers” este amplasată în Bucureşti, Sectorul 6, pe Șoseaua Orhideelor nr. 15, la intersecția dintre Șoseaua Orhideelor şi Blvd. Independenței, pe un teren cu suprafață de aproximativ 7450 mp, având un regim de înălțime: 2S+ST+P+1-15E+ET.

Clădirea „Orhideea Towers” are o amprentă la sol de aproximativ 6600 mp, cele două subsoluri întinzându-se pe aproape întreaga suprafaţă a terenului deţinut. Infrastructura este realizată din elemente din beton armat (ziduri, stâlpi, planşee), iar suprastructura este realizată din pereți din beton armat (nuclee), planșee dală şi stâlpi.

Clădirea are o formă neregulată în plan (o formă tip „fluture”), dar şi pe înălțime, blocul sudic având 12 etaje (incluzând parterul), iar blocul nordic 16 etaje (inclusiv parterul).

Execuția infrastructurii s-a realizat în interiorul unei incinte închise, realizate din pereți îngropați de beton armat, executați sub protecția noroiului bentonitic (panouri de pereți mulați), care au fost sprijiniți în timpul execuției folosind șpraițuri din oțel montate pe două planuri orizontale, fixate în structura de beton armat a subsolurilor executate mai întâi pe zona centrală (sub forma unei „insule”).

Subsolurile asigură spații de parcare și circulații auto, spații tehnice, spații de depozitare, adăposturi ALA etc.

În afara celor 2 subsoluri, care se întind pe aproape întregul lot, clădirea mai are un nivel ce va servi drept subsol tehnic, între Parter şi Primul Subsol.

Acest subsol tehnic are aceeași formă și amprentă la sol ca și partea supraterană, dar are perimetrul închis complet cu pereți sau grinzi pereți de beton armat cu grosimea de 60 cm.

Așadar, aripa de Sud are deasupra terenului regim de înălțime P+11E+E.Tehnic, iar aripa de Nord are deasupra terenului regim de înălțime P+15E+E.Tehnic.

Înălțimea totală supraterană este de aprox. 63 m.

Subsolurile au fost proiectate cu un sistem constructiv constând în pereți de beton armat, cu grosimi diferite (cu grosime variind între 25 şi 60 cm), stâlpi din beton armat, planșee din beton armat de tip dală groasă, fără grinzi, cu excepția anumitor zone indicate în planurile proiectului, unde s-au folosit rigle de cuplare pentru pereții de beton. Un caz particular îl reprezintă subsolul tehnic. Acest nivel are cu mult mai mulți pereți de beton decât în cazul etajelor standard ale suprastructurii şi conturul său este închis cu pereți sau grinzi foarte înalte – grinzi-pereți (60×180 cm sau 60×279 cm – ce reprezintă de fapt întreaga înălțime a subsolului tehnic). Pe aceste grinzi sunt susținuți unii dintre stâlpii suprastructurii, care nu au putut avea continuitate în subsol și a căror rezemare pe grinzile-pereți este de tip articulat (toți stâlpii având exclusiv rol gravitațional).

Sistemul de fundare este alcătuit din radier general, cu o grosime de 2,00 m sub zona centrală a nucleelor și 1,50 m în restul suprafeței ce reazemă pe piloții forați cu diametru de 80 și 90 cm. Lungimea piloților de fundare a fost stabilită în faza de execuție pe baza încercărilor în teren și, cu ajutorul unei tehnologii de injectare pe suprafața laterală, s-a obținut și creșterea capacității portante și deci optimizarea piloților – reducerea lungimii lor.

Sistemul constructiv principal constă din pereți / nuclee din beton armat, cu grosimi cuprinse între 50-70 cm, reprezentând sistemul structural de rezistență la seism, stâlpi din beton armat, în fațadele longitudinale şi în partea centrală a spațiilor de birouri, care preiau doar sarcina gravitațională, fiind prinși articulat la bază la contactul cu infrastructura. Stâlpii sunt circulari şi au diametre cuprinse între 50 – 70 cm și cadre metalice cu dispozitive seismice (amortizori vâscoși) în cele patru fațade transversale.

Cadrele metalice cu dispozitive sunt constituite din stâlpi metalici cu secțiune circulară goală, grinzi metalice, amortizori cu fluid vâscos montate pe diagonale / contravântuiri metalice. Diagonalele sunt conectate cu elementele cadrului doar din 2 în 2 etaje, acolo unde există grinzi metalice. La nivelurile dintre 2 grinzi metalice diagonalele au mișcarea liberă prin goluri special prevăzute în planșee.

Folosirea amortizoarelor cu fluid vâscos în fațadele transversale reprezintă un element cheie al acestei structuri și soluția optimă.

Figura următoare prezintă schema structurii de rezistență a unei fațade transversale:

Rolul amortizoarelor cu fluid vâscos nu a fost acela de a crește semnificativ amortizarea globală a întregii structuri, ci este de control și limitare a deplasărilor laterale (cauzate de acțiunea seismică) a cadrelor din fațadele transversale ale fiecărei aripi a clădirii – pe direcție transversală, menținând – în același timp – un nivel de forță axială, în stâlpii de oțel ai acestor cadre de fațade, suficient de redus încât să poată fi preluat prin folosirea unor secțiuni raționale și care să nu inducă în infrastructură și eforturi excesiv de mari.

Această soluție a fost adoptată după studierea altor soluții (contravântuiri clasice de oțel, contravântuiri cu flambaj împiedicat). Oricare din aceste soluții au condus la forțe extrem de ridicate în stâlpii de oțel, ceea ce avea consecințe directe asupra secțiunilor acestora şi un impact uriaș asupra fundațiilor și subsolurilor.

Sistemele de planșee utilizate la nivel de suprastructură sunt:

• Planșee dală cu grosime de 24 cm în spațiile standard de birouri. Planșeele dală au fost necesare din cauza cerințelor de natură arhitecturală, pentru a putea obține înălțimea netă dorită a etajelor şi pentru a avea suficient spațiu pentru conductele și tubulaturile de instalații.
• Planșee foarte groase între cele două corpuri ale clădirii (în zona de legătură). Grosimea acestor planșee crește de la 30 cm (la nivelurile inferioare) până la 50 cm (la nivelurile superioare). Aceste planșee vor fi de asemenea armate cu profile de oțel (armătură rigidă), în grosimea lor, care va trebui prelungită în pereții din beton ai nucleelor centrale, pentru a putea suporta forțele extrem de ridicate generate între cele două corpuri ale clădirii în cazul acțiunii seismice de proiectare.
• Pe înălțimea fiecărui etaj tehnic (E12 și E16) au fost prevăzute, pe direcție longitudinală, grinzi-pereți din beton armat foarte rigide 50×300 cm. Acestea conectează nucleele de scară cu nucleele centrale, creând astfel un efect global de rigiditate asupra întregii structuri.

Fiecare corp de clădire luat separat ar fi avut rigiditate insuficientă pe direcția transversală, motiv pentru care legarea corpurilor cu planșeele pe zona centrală a devenit obligatorie.

Totuși, în afara răspunsului dinamic de ansamblu, s-a identificat și un răspuns dinamic local al fiecărei aripi a clădirii. Practic fiecare aripă de clădire ajungea să aibă modurile ei proprii de vibrație, distincte. Totodată, fiecare aripă a clădirii nu avea suficientă rigiditate asigurată de nucleul de scară (cu dimensiuni relativ mici în plan) apropiat de respectivul capăt de clădire.

De aceea, se ajungea la situația ca acele capete de aripi de clădire să aibă valori de drift peste limitele admise. Era, deci nevoie, de elemente care să rigidizeze cadrele de capăt din fațadele transversale (sau care să limiteze deplasările).

Nu a fost posibilă amplasarea de pereți de beton armat în fațadele transversale (atât din motive arhitecturale la nivel de suprastructură, cât și din motive funcționale la nivel de subsoluri, întrucât prin zonele respective erau circulații auto care nu puteau fi deviate).

Un sistem de contravântuiri clasic conducea la forțe axiale de dimensionare extrem de mari în stâlpii de colț (cca. 40 000 kN), evident cu efecte grave și asupra fundațiilor și subsolurilor, nu doar asupra stâlpilor în sine.

Un sistem de contravântuiri împiedicate la flambaj fie:

• Dacă erau suficient de rigide, conduceau din nou la forțe axiale foarte mari în stâlpi întrucât se plastificau la forțe prea mari
• Dacă erau dimensionate să se plastifice la forțe suficient de mici încât să nu conducă la forțe prea mari în stâlpii de colț, atunci din nou condiția de drift nu mai era satisfăcută pentru aceste cadre.

S-a ajuns astfel la concluzia că singura modalitate în care clădirea poate „funcționa” și în care se poate rezolva sistemul structural este de a prevedea în cadrele marginale ale aripilor clădirii (fațadele transversale) un sistem de diagonale, în care să se prevadă amortizoare vâscoase.

Efectul amortizoarelor este unul pe cât de semnificativ, pe atât de impresionant: valorile de drift au putut fi controlate și menținute în limitele impuse de cod, iar forțele axiale din stâlpi au ajuns la cca. 7000 kN.

Structura a fost modelată şi analizată folosind soft-ul ETBAS Nonlinear.

S-au efectuat pe bază de spectre de răspuns & „time-history” dinamic neliniar (analiză rapidă nelineară – FNA) cu neliniaritate la nivelul amortizoarelor (modelate ca link-uri) și la nivelul terenului (interacțiune teren-structură).

Datele introduse în vederea analizei time-history au constat din accelerograme înregistrate, precum și sintetice, compatibile cu spectrul de răspuns elastic şi întrunind condițiile stabilite în P100-1/2013. Au fost aplicate simultan câte două accelerograme (pe coordonatele X & Y), conform prevederilor codului.

Într-o primă etapă, suprastructura a fost modelată și analizată pornind de la considerentul că este încastrată la cota „zero”. Ulterior, s-a efectuat o modelare mai complexă, luându-se în considerare toate subsolurile, fundația (radierul general), piloții și interacțiunea teren-structură, folosindu-se un model elastic (Winkler).

Pe baza analizelor spectrale inițiale, şi după analizarea răspunsului structurii în termeni de eforturi și deplasări, pentru diferite valori ale amortizării globale, s-a hotărât că o amortizare globală de 10% dă rezultate satisfăcătoare, îndeplinindu-se cerințele de limitare a deplasărilor și conduce la eforturi acceptabile în elementele structurale.

Amortizoarele vâscoase (care acționează practic numai pe direcţie transversală – Y) au fost predimensionate pe baza amortizării țintă de 10%, ceea ce înseamnă că sporul de amortizare (vâscoasă) va fi de 5% în raport cu amortizarea globală a structurii de beton armat, considerată a fi 5%.

În modelul macro-structural, amortizoarele au fost modelate ca amortizoare cu fluid vâscos cu amortizare nelineară (sau amortizoare vâscose neliniare).

Forţa amortizorului nelinear este exprimată prin ecuaţia:

S-a considerat o valoare a exponentului amortizării α de 0,15 (α=0,15).

În literatura de specialitate se cunosc două tipuri de modelare a comportării elementelor cu amortizare vâsco-elastică: modelul Kelvin și modelul Maxwell. Modelul Kelvin, în care componenta vâscoasă este legată în paralel cu cea elastică poate fi folosit atât pentru a modela amortizoare introduse într-un cadru metalic, cât și în cazul amortizoarelor folosite în paralel cu sistemele de izolarea a bazei. Modelul Maxwell, în care componenta vâscoasă este legată în serie cu cea elastică, se poate folosi pentru modelarea atât a amortizorului propriu-zis cât și a diagonalei elastice din care acesta face parte.

În situația de față şi pentru o analiză nelineară, a fost adoptat modelul Maxwell, amortizoare cu fluid vâscos nelineare, modelați în serie cu diagonala.

Valoarea constantei de amortizare C a fost calibrată astfel:

• Pentru aripa de sud (P+11 Etaje): C=1500kN(s/m)^α
• Pentru aripa de nord (P+15 Etaje): C=2000kN(s/m)^α

Se impun câteva comentarii foarte importante:

• Forța tăietoare de bază fără amortizare suplimentară se înscrie între aceleași valori (94000…100000 kN).
• Forța tăietoare de bază rezultată din analiza spectrală, cu amortizare suplimentară (81300 kN) – pe direcția Y – este cu aprox. 18% mai mică decât forța tăietoare de bază pe direcția Y fără amortizare suplimentară (99400 kN),
• Acest lucru corespunde unei micșorări a forței cu coeficientul de 0.82, ceea ce înseamnă o fracție a amortizării critice de 9.9%, după scara spectrului de proiectare.
• În același timp, forța tăietoare de bază rezultată din analiza time-history (unde toate amortizoarele se încarcă în funcție de vitezele la care sunt supuse, adică în funcție de inputul dinamic), are valoare foarte apropiată de FTB din analiza spectrală (79000 kN față de 81300 kN). Aceasta corespunde unei micșorări a forţei cu approx. 20%, ceea ce înseamnă o fracțiune din amortizarea critică de cca. 10%.

Aceasta reprezintă prima confirmare a modelului şi analizei, conform căreia amortizoarele proiectate în prealabil şi introduse în model conduc la obținerea sporului de amortizare pentru care au fost predimensionate amortizoarele.

După cum se poate vedea, efectul amortizoarelor apare numai pe direcția Y, aşa cum se preconiza. FTB pe direcția X, în analiza spectrală FĂRĂ spor de amortizare și în analiza dinamică au valori foarte apropiate.

S-a analizat fezabilitatea folosirii unui sistem de contravântuiri clasice. Acesta conducea la eforturi exagerat de mari în elementele structurale. Exemplificăm mai jos acest lucru, prin comparație cu soluția proiectată și pusă în operă: