ACOPERISURI - Rol, alcatuire, clasificare si montare

ACOPERISURI

Rol, alcatuire, clasificare

Acoperisurile sunt ansambluri constructive amplasate la partea superioara a cladirilor, care fac parte, impreuna cu peretii exteriori si cu unele elemente de infrastructura, din sistemul elementelor de inchidere ale cladirilor.

Subansamblul acoperis cuprinde urmatoarele elemente principale, diferentiate prin functiunile pe care le indeplinesc:

- invelitoare, cu rol de protectie hidrofuga;

- termoizolatie;

- bariere contra vaporilor;

- elemente accesorii cu rol de colectare a apelor pluviale.

Acoperisurile se dimensioneaza la actiunea incarcarilor permanente climatice, incarcari rezultate din procesul de exploatare.

Clasificarea acoperisurilor se face dupa mai multe criterii:

din punct de vedere al comportarii hidrotehnice:

- acoperisuri duble;

- acoperisuri intr-un strat;

- acoperisuri neventilate (terasa);

in functie de panta:

- inclinate, cu pante 8-20 %;

- plate (terase);

- acoperisuri cu suprafete curbe.

Functiile acoperisurilor

Acoperisurile participa la realizarea unui microclimat artificial in cladire, avand urmatoarele functii:

- de etanseitate la actiunea apei din precipitatii;

- de protectie higrotermica;

- de protectie acustica;

- de iluminare (luminatoare);

- de rezistenta.

Solicitarile la care sunt supuse acoperisurile sunt:

- incarcari verticale;

- incarcari orizontale (vant, seism);

- incarcari mecanice datorita variatiei de temperatura.

Exigentele referitoare la acoperisuri sunt:

- exigentele tehnice, care se refera la stabilitatea si rezistenta structurala;

- siguranta la foc;

- durabilitatea;

- exigentele functionale;

- exigentele economice.

Exigentele functionale se refera la:

- etanseitatea la aer, pentru a evita pierderile de caldura;

- etanseitatea la apa;

- izolarea termica;

- limitarea amplitudinii oscilatiei zilnice a temperaturii pe suprafata

tavanelor - planseelor-terasa, ca urmare a radiatiei solare.

Elemente componente ale acoperisului

Elementele componente ale acoperisurilor sunt: invelitoarea, termoizolatia, bariera contra vaporilor, structura de rezistenta.

3.1. Invelitori

Acestea reprezinta elementul de constructie prevazut la partea superioara, cu rol de izolare contra agentilor atmosferici. Invelitoarea trebuie sa raspunda exigentei de etanseitate la actiunea agentilor atmosferici.

Ca tipuri de invelitori se mentioneaza:

- invelitori organice (trestie);

- invelitori placi din piatra naturala (ardezie);

- invelitori piatra artificiala (azbociment, beton, ceramica);

- invelitori din tabla;

- invelitori din sticla;

- invelitori din materiale plastice.

Din punct de vedere al asigurarii etanseitatii, se disting:

- invelitori continue (fara rosturi);

- invelitori discontinue (impermeabi1e la actiunea apei).

Din punct de vedere al portantei se disting:

- invelitori elastice, care necesita suport continuu din bitum (terasa, tabla plana);

- invelitori care necesita suport la distante reduse (de exemplu, placi ceramice);

- invelitori ce se monteaza pe retea (azbociment).

3.2. Structuri de rezistenta pentru acoperisuri

Alcatuirea structurii de rezistenta pentru acoperisuri depinde de:

- solutia adoptata pentru invelitoare;

- forma si dimensiunile in plan ale cladirii;

- considerente economice.

3.2.1 Sarpante

Pentru constructii de inaltime mica sau medie se pot folosi acoperisuri sarpante invelite cu tigle ceramice. Sarpanta din lemn are o durabilitate relativ redusa si prezinta pericol de incendiu. Cu toate aceste dezavantaje, sarpantele din lemn permit o executie usoara.

Sarpantele, in functie de materialul utilizat, se clasifica astfel:

- sarpante din lemn ecarisat;

- sarpante din lemn ecarisat si rotund.

Sarpante1e din lemn ecarisat sunt de trei tipuri: sarpante cu capriori, sarpante cu scaune, sarpante cu macaz.

Sarpantele cu capriori se folosesc la cladiri cu o deschidere de 4-6,50 m intre peretii portanti. Capriorii sunt dispusi dupa linia de cea mai mare panta a versantilar. Aceste ansambluri se asaza la o distanta de 70-90 cm (fig.1).

Invelitoarea este mentinuta printr-o astereala discontinua din sipci de lemn realizata perpendicular pe directia capriorilor.

Sarpanta cu scaune se foloseste la cladiri cu sectiunea transversala sporita, care admit si pereti de rezistenta interiori longitudinali si care preiau o parte din incarcarile acoperisului.

Sarpanta cu scaune este alcatuita din sisteme de rezistenta plane, principale, numite ferme asezate in lungul acoperisului la distante de 3-5 m intre ele si sisteme secundare formate numai din perechi de capriori, asezati intre ferme, la 70-90 cm distanta (fig.2).

Principalele conformari ale sarpantei cu scaune sunt prezentate in figura 3.

Sarpantele pe scaune care formeaza sistemul plan se dispun in lungul cladirii, la distante de 3,5-5m, in functie de pozitia peretilor portanti. Stabilitatea spatiala a acoperisului cu sarpanta pe scaune se asigura prin prevederea contravantuirilor (contrafiselor) transversale si longitudinale cu ajutorul carora se realizeaza rigidizarea dintre popi, pane, clesti.

In figurile 4 si 5 sunt prezentate detalii constructive pentru modul de realizare a imbinarilor din nodurile caracteristice ale sarpantei pe scaune, precum si vederea in perspectiva a unei sarpante pe scaune.

Sarpanta cu ferme-macaz se foloseste la cladiri care au numai pereti exteriori longitudinali, fara pereti interior pe care s-ar putea descarca scaunele.

Macazul este un sistem de rezistenta format din mai multe bare, care fac parte din forma si care, in lipsa scaunelor, servesc la descarcarea panelor pe peretii exteriori.

Acoperisul este alcatuit in mod similar si din aceleasi elemente ca si in cazul sarpantelor cu scaun, cu exceptia fermei, care se prevede cu macaz.

Dupa marimea deschiderii, se executa sarpanta cu macaz simplu (fig.6), folosit la deschiderile de maximum 8,00 m, si macaz dublu, pentru deschiderea de maximum 12,00m (fig.7).

Sarpantele din lemn ecarisat si rotund se pot folosi atat la cladiri cu pereti longitudinali cat si la cladiri cu pereti transversali.

In principiu, modul de alcatuire a acestor sarpante este similar celor realizate cu lemn ecarisat.

Calculul elementelor se efectueaza pe baza principiilor generale de verificare a sigurantei constructiilor, prevazute in STAS 10100/0-75, prin verificarea comportarii corespunzatoare fata de starile limita care pot aparea in diferite etape (executie, exploatare, reparatii).

Verificarea se face tinand cont de cele mai defavorabile ipoteze de solicitare si de cele mai defavorabile caracteristici a1e materialelor.

La calculul elementelor se iau in considerare urmatoarele stari limita;

- starea limita ultima, care corespunde pierderii capacitatii portante; principalele fenomene care pot conduce la aparitia acestora sunt: ruperi de diferite naturi, pierderea stabilitatii formei sau a pozitiei, stari care implica iesirea din lucru a elementului de constructie din cauza deformatiei remanente excesive;

- stari limita ale exploatarii normale, ce corespund intreruperii capacitatii de asigurare a unei exploatari normale a elementelor constitutive.

Incarcarile luate in considerare la dimensionarea elementelor sunt: greutatea proprie, greutatea zapezii, presiunea vantului si o forta concentrata ce provine din greutatea unui muncitor care lucreaza pe acoperis.

Astereala se calculeaza la incovoiere, deschiderea de calcul fiind distanta dintre capriori. In calcul, se tine seama numai de componenta normala, cea tangentiala neglijandu-se.

Capriorii se calculeaza in trei ipoteze, folosindu-se in calculul de dimensionare ipoteza cea mai dezavantajoasa. Deschiderea grinzii este distanta dintre pane.

Capriorii se pot confectiona din lemn ecarisat sau din lemn rotund, cu diametrul 10-12 cm. Se confectioneaza dintr-o singura bucata sau din mai multe bucati, situatie in care imbinarea se face prin chertare, in dreptul panelor. Acestia se dispun dupa linia de panta - perpendicular pe coama -, la distanta de a = 70-80 cm.

Elementele verticale ale sarpantei se pot realiza din lemn ecarisat 12x 12 cm - 1 5x15 cm sau din lemn rotund cu diametrul de 12-15 cm.

Pentru asigurarea stabilitatii spatiale a sarpantei sub actiunea incarcarilor, se prevad contrafise si clesti, prin intermediul carora se realizeaza imbinarile in nodurile fermei.

Imbinarea intre capriori, pane, popi, talpa si contrafise se face prin chertare si scoabe. Pana de streasina si talpa de repartitie (de sub popi) se ancoreaza in placa sau centura prin intermediul buloanelor de ancoraj sau al mustatilor din otel-beton.

Panele se calculeaza la incovoiere, admitand ca sunt grinzi simplu rezemate pe popii fermelor: Pana este incarcata cu sarcina concentrata, in dreptul capriorilor.

Panele din camp curent, de coama si de streasina se executa din lemn ecarisat (10 x 12 sau 15 x 20 cm).

Deschiderea panelor se considera egala cu distanta dintre popi, respectiv ferme, si variaza intre 3,5 si 5 m. Imbinarea panelor de streasina se face cap-la-cap, iar a panelor de camp si coama, prin chertare si buloane de strangere in dreptul reazemelor.

Calculul elementelor sarpantei se face in ipoteza cea mai defavorabila de incarcare, pentru irrcarcari de calcul, la starea limita de rezistenta, si pentru incarcari normate, la starea limita de deformatie.

Capriorul se calculeaza ca o grinda simplu rezemata sau continua, cu deschiderea egala cu distanta dintre pane, in proiectie pe orizontala.

Determinarea N, M, T se face prin metoda clasica a staticii constructiilor.

Dimensionarea sectiunii se face pentru M_max, in ipoteza cea mai defavorabila, cu relatia:

in care: M_max - este momentul maxim de calcul;

Wnet - modulul de rezistenta net al sectiunii transversale, in cm³;

R_i - rezistenta de calcul a lemnului la incovoiere, in daN/cm².

Rezulta ca:

Verificarea eforturilor unitare se face .la M, N, in sectiunea cea mai solicitata, iar modulul de rezistenta W, in sectiunea cea mai slabita.

Pe langa calculul de rezistenta la elementele incovoiate se efectueaza si o verificare a rigiditatii:

Valoarea sagetii efective maxime se determina cu relatia:

- la astereala: ;

- la capriori si pane: .

Calculul panelor curente sau de coama se face la incovoiere oblica, pentru schema de grinda simplu rezemata (fig.8).

Verificarea sectiunii se face in ipoteza cea mai defavorabila de incarcare, cu relatia:

in care: W_x, W_y - sunt modulele de rezistenta ale sectiunii transversale;

M_x, M_y - componentele momentelor incovoietoare corespunzatoare axelor principale x-x si y-y.

Verificarea sagetii panelor la incovoiere oblica se face cu relatia:

,

in care: f_x si f_y reprezinta valoarea sagetii, determinata in raport cu x-x si y y.

Popii se dimensioneaza la compresiune cu flambaj pentnt efortul N_max. Lungimea de flambaj se poate lua egala cu inaltimea efectiva a popilor.

Verificarea efortului unitar normal se face cu relatia:

in care: N este efortul axial de calcul;

- coeficientul de flambaj;

A_br - aria sectiunii transversale brute.

Dimensionarea elementelor secundare ale sarpantei se obtine din considerente de realizare corecta a imbinarii.

Sarpanta cu structura spatiala. O solutie moderna o constituie sarpanta cu structura spatiala (fig.9 si 10).

Avantaj ele acestui tip de sarpanta constau in faptul ca structura spatiala se realizeaza numai din trei tipuri de prefabricate care se imbina in noduri eliminand panele si contravantuirile.

Acest tip de sarpanta se preteaza foarte bine la realizarea acoperisului cu mansarda.

Calculul foloseste o metoda aproximativa, constand in separarea unei fasii cu latimea c, egala cu pasul retelei. Starea de eforturi M, N, T se determina pentru ipoteza cea mai defavorabila de incarcare, in conformitate cu schema statica (fig.12).

Calculul retelei lamelare se face la compresiune excentrica, in ipoteza ca momentul incovoietor M este preluat numai de lamela continua in nod, iar efortul axial N este preluat de ambele lamele.

Verificarea eforturilar unitare normale in nadurile retelei lamelare se face pentru:

unde: N_o este efort axial, in daN;

M_o - momentul incovoietor maxim, in daNcm;

A_n - aria sectiunii transversale nete a lamelei, in cm²;

- unghiul dintre axa longitudinala a lamelei si generatoarea structurii lamelare;

- coeficient care tine seama de flambaj;

R_c, R_i - rezistenta de calcul la compresiune, respectiv la incovoiere, in daN/cm²

Pentru predimensionare se folosesc relatiile:

Avand modulul de rezistenta determinat, se impune grosimea lamelei b si rezulta inaltimea h. Se recomanda ca b 3,8 cm.

Calculul montantului transversal si al elementelor de reazem se face pentru eforturile axiale determinate in ipoteza cea mai defavorabila de incarcare (simetrica sau nesimetrica).

Imbinarile folosite la acoperisuri sarpante in mod curent sunt cu prag simplu sau cu prag dublu.

Atat prima imbinare cat si a doua se folosesc la nodurile sarpantelor.

Imbinari1e cu prag simplu trebuie sa indeplineasca urmatoarele exigente:

- adancimea chertarii h_c sa nu depaseasca 1/3 din dimensiunea sectiunii elementului pe directia chertarii, pentru nodurile de reazem, si 1/4, pentru, nodurile intermediare. In acelasi timp se pune conditia ca h_c> 2 cm, in cadrul elementelor din lemn ecarisat, si 3 cm, pentru cele din lemn rotund. Lungimea planului de forfecare l_f, in cazul imbinarii prin chertare frontala, trebuie sa fie: l_f 10 h_c sau l_f= 2h (d) si minimum 20 cm.

Sectiunile se verifica:

a) la strivire:

b) la forfecare;

unde: N_s, F_f reprezinta efortul normat sau de calcul la strivire, respectiv la forfecare [daN];

A_s, A_f- aria de calcul la strivire, respectiv la forfecare;

- rezistenta admisibila a lemnului la strivire, dupa unghiul [daN/cm²];

- rezistenta de calcul a lemnului la forfecare [daN/cm²].

Lipsa de contact perfect la una din suprafetele de strivire nu constituie un pericol din punct de vedere al rezistentei la strivire, deoarece prin defor marea (uneia) pana la realizarea contactului corespunzator la cea de a doua, neuniformitatea repartizarii efortului se reduce simtitor.

Astfel stau lucrurile in cazul solicitarii la forfecare a pragurilor. In caz de nerealizare a unui contact corespunzator la cel de-al doilea prag, se poate intampla ca forta de forfecare F_f= N_t sa actioneze in intregime sau in cea mai mare parte numai asupra primului prag.

De aceea, calculul la forfecare al primului prag se face pentru un efort mai mare decat cel corespunzator de strivire iar verificarea eforturilor tangentiale din planul de forfecare se face cu relatia:

in care: F_1f este proiectia pe primul plan de forfecare a efortului de strivire N_1s;

A_1f- suprafata de forfecare la nivelul primului prag;

0,7 - un coeficient care tine seama de posibilitatea supraincarcarii primului prag.

In cazul in care contactul suprafetelor de lucru nu se realizeaza in mod corespunzator pe primul prag, efortul de forfecare F_f = N_t trebuie sa fie preluat in intregime de cel de-al doilea prag. Astfel, verificarea celui de-al doilea prag se face la intreg efortul de forfecare F_f= N_t. Cand calculul se face la stari limita, rezistenta de calcul la forfecare se inmulteste cu un coeficient de corectie k =1,15.

Din cele de mai sus rezulta ca imbinarea cu prag dublu este indicata numai pentru acele cazuri in care cuvantul hotarator il are strivirea, si nu forfecarea lemnului, adica pentru valori ale unghiului β > 45°.

Elementele constructiilor din lemn, imbinate cu prag simplu sau dublu, trebuie asigurate cu legaturi de siguranta (suruburi-bu1oane, scoabe etc.) in vederea preintampinarii unui eventual pericol de cedare a pragurilor. Efortul axial din legatura de siguranta se determina cu formula:

in care β este unghiul dintre piesele de imbinat (v. fig. 13 si 14).

Imbinari1e frontale simple cu trei suprafete de rezemare se recomanda sa se foloseasca in cazul fermelor cu deschideri relativ mari (12-18 m), in locul imbinarilor cu prag simplu sau dublu, care, pe langa faptul ca nu necesita chertarea (slabirea) elementului intins, se bazeaza pe folosirea principiului fractionarii (fig.15).

In acest caz, talpa superioara comprimata reazema cu toata suprafata pe un sabot (cupon) din lemn, care transmite componenta verticala direct la reazem (prin intermediul subgrinzii), iar componenta orizontala, talpii inferioare, prin intermediul unor juguri metalice si al unor eclise de lemn, fixate la randul lor cu ajutorul unui numar relativ mare de dornuri si suruburi (bu1oane) rezultate din calcul.

Avantajul principal al acestui sistem de imbinare consta in aceea ca asigura o capacitate portanta si un grad inalt de siguranta in exploatare.

Calculul unei imbinari frontale simple se reduce la un calcul de verificare a elementelor imbinarii, tinand seama de solicitarile respective.

Tirantii de otel se verifica la intindere in sectiunea slabita (filetata, )cu relatia:

in care: este rezistenta admisibila de calcul pentru tiranti de otel;

0,8 - un coeficient care tine seama de posibilitatea supraincarcarii unuia dintre tiranti.

Determinarea numarului de legaturi (tije cilindrice, suruburi, dornuri) se face cu relatia:

in care T_t este efortul admisibil (de calcul) al tijei cilindrice.

Verificarea cornierelor verticale si orizontale la incovoiere se face cu relatia:

in care: M este momentul incovoietor;

W- modulul de rezistenta al unui cornier;

- rezistenta admisibila (de calcul) a otelului la incovoiere.

Imbinari1e frontale cu trei suprafete de strivire sunt utilizate in cazul intersectiei intr-un nod, a trei piese comprimate - cazul cadrelor de lemn (fig.16,a), precum si in cazul intersectiei a doua piese comprimate sub un unghi mai mare de 40° (cazu1 talpii superioare frante a fermelor poligonale, fig.16,b).

La acest tip de imbinare este rational ca suprafetele de contact sa fie realizate dupa bisectoarea unghiului, obtinand in aeest caz o imbinare de egala rezistenta la strivire.

Imbinari cu chertare laterala. Imbinari1e prin chertare laterala se folosesc la realizarea nodurilor la fermele triunghiulare executate din scanduri sau dulapi. Acest tip de imbinare nu este indicat, din cauza unei executii complicate si a unei comportari deficitare (slabe) la forfecare a pragurilor.

Calculul imbinarilor prin chertarea laterala consta in verificarea eforturilor unitare normale de strivire si tangentiale cu relatiile:

in care: n_s, n_f reprezinta numarul suprafetelor de strivire, respectiv de forfecare;

a - grosimea unei piese a talpii superioare;

h_S - latimea pieselor talpii superioare;

h - latimea ecliselor.