ACTIUNI IN CONSTRUCTII - Actiunea vantului, seismica, zapezii, focului asupra constructiilor

ACTIUNI IN CONSTRUCTII

1. Elemente generale

Potrivit definitiei data de Organizatia Internationala de Standardizare (I.S.O.) prin actiune se intelege orice cauza capabila de a genera stari de solicitare mecanica intr-o constructie.

Actiunile se pot manifesta sub forma sistemelor de forte, a tasarii rezemelor, a contractiei si curgerii lente, a umiditatii, a precomprimarii, a fenomenelor de interactiune dintre constructie si mediul ambiant, climatic.

Clasificarea actiunilor, conform normelor in vigoare, STAS 10101/0-75 si 10101/0A/77, are in vedere alcatuirea unor grupari rationale de actiuni pentru calculul structurilor.

Clasificarea actiunilor

Actiunile se clasifica dupa criteriul frecventei cu care sunt intalnire in anumite intensitati:

actiuni permanente;

actiuni temporare;

actiuni exceptionale.

1. Actiuni permanente

Actiuni permanente se considera:

greutatea elementelor permanente ale constructiilor (greutatea elementelor structurale, inchideri, pardoseli, tencuieli, etc.);greutatea si presiunea pamantului (ziduri de sprijin);

efectul precomprimarii.

Evaluarea incarcarilor permanente pentru un element de constructie se face prin insumarea greutatii componentelor ce alcatuiesc acel element: greutatea fiecarui component este produsul dintre greutatea tehnica (specifica) a materialului din care acesta este alcatuit si volumul sau.

Cand exprimarea este pe unitatea de suprafata, incarcarile permanente se calculeaza cu expresia:

q

unde:

d_i = grosimea , dimensiunea stratului component

g_i = greutatea tehnica a materialului

Evaluarea incarcarilor permanente este afectata de incertitudini in ceea ce priveste caracteristicile geometrice stabilite prin proiect si greutatile specifice ale materialelor. Ca urmare, incarcarea permanenta pe unitatea de suprafata poate fi modelata ca o variabila Q, in functie de variabilele aleatoare independente D (dimensiunea) si G (greutatea specifica).

Considerand pentru cele doua componente aleatoare independente distributii de tip normal si notand cu :

m_d = mediile ;

m_g = mediile;

V_d = coeficient de variatie ;

V_g coeficient de variatie.

variabila aleatoare functia Q este distribuita, de asemenea normal si poate fi definita prin media:

m_q = m_d m_g

si prin coeficientul de variatie :

V

Valoarea fractila se exprima prin:

q_p = m_q + K s_q= m_q (l + KV_q)

Analiza datelor statistice pune in evidenta variatii mici ale coeficientilor de variatie ai incarcarilor permanente. Ex. : pentru beton , coeficientul de variatie V_q nu depaseste 7 - 8 % , la elemente metalioce 1 - 2%, la alte materiale: pardoseli, sape, etc. coeficientul variaza intre 10 - 15%.

In practica actuala, in Romania, incarcarile permanente se considera ca fiind de natura nealeatoare si se exprima prin valori deterministe (incarcari normate corespunzatoare valorilor medii) .

Efectele defavorabile datorate abaterilor de la valorile medii sunt acoperite in conceptia prescriptiilor actuale prin coeficientii incarcarii, care au valori intre 1,1 si 1,3 in functie de caracteristicile materialului si a variabilitatii dimensionale.

Actiunile temporare

Actiunile temporare pot fi cvasipermanente si variabile.

Actiunile temporare sunt:

greutatea unor elemente de constructie a caror pozitie se poate modifica in timpul exploatarii ( ex. pereti despartitori, auto portanti);

greutatea unor elemente specific exploatarii constructiilor;

presiunea hidrostatica a apei ;

incarcari pe plansee in zonele de depozitare

incarcari dinamice;

incarcari datorate variatiilor de temperatura ;

deplasari neuniforme ale terenului de fundare;

impingerea pamantului datorita incarcarii terenului cu materiale depozitate ;

incarcari pe planseele cladirilor datorate greutatii oamenilor, mobilei, utilajelor usoare;

incarcari datorate mijloacelor de ridicare si transport in timpul reparatiior;

incarcari datorate utilajelor la punerea in functiune in regim tranzitoriu;

incarcari aparute in timpul transportului, a montajului elementelor de constructii in timpul executiei, greutatile elementelor incomplet montate;

incarcari datorate zapezii, vantului, chiciurii;

variatia de temperatura climatica;

presiunea dinamica a ghetii, actiunea statica a ghetii;

incarcari datorate valurilor produse de vant.

Valorile normate sunt prezentate in STAS 10101/2/99/1975.

Valorile de calcul se obtin prin afectarea valorilor normate cu coeficientii aferenti. Drept urmare, valorile de calcul obtinute pot sa aiba urmatoarele specificatii:

valori rar intalnite;

valori frecvent intalnite;

valori de scurta durata;

valori de lunga durata;

valori cvasi-permanente.

corespunzator naturii si importantei starilor limita pentru care se fac verificarile.

Actiuni exceptionale

Actiunile exceptionale sunt:

incarcarea seismica ;

incarcari datorate defectelor utilajelor si deficientei accidentale aparute in procesele tehnologice;

incarcari datorita ruperii unor elemente de constructii;

incarcari cu caracter de soc datorate ciocnirii autovehiculelor de elementele de constructii sau explozii;

incarcari datorate deplasarilor de reazeme provenite dintr-o schimbare radicala a structurii terenului;

incarcari datorate vantului in regim de rezonanta;

incarcari datorate inundatiilor catastrofale;

incarcarii datorate zapezii pentru cazuri C3>3.

4. Actiuni datorate procesului de exploatare

Incarcarile utile sunt considerate, uneori, ca incarcari concentrate iar in anumite cazuri uniform distribuite pe unitatea de lungime, actionand vertical sau orizontal (calculul balustrazilor).

O modelare corecta a incarcarilor utile, se obtin prin reprezentarea lor ca procese aleatoare (proces Poisson in unde dreptunghiulare sau procese Poisson in unde filtrate). Pornind de la o asemenea modulare, incarcarea utila se poate separa intr-o ipoteza simplificatoare, in doua componente:

o componenta temporara de lunga durata corespunzatoare destinatiei constructiei in conditii normale de exploatare;

o componenta extraordinara reprezentand un eveniment neobisnuit corespunzator incarcarii; aceasta componenta actioneaza pe o perioada foarte scurta (eventual cateva ore). ( Ex. : mobilier concentrat pe o suprafata limitata in timpul lucrarilor de reparatii, renovare imobil) .

A doua componenta este exagerata din punct de vedere al sigurantei structurale si, de aceea, in calculele ingineresti este considerata prima componenta.

Incarcare utila maxima pe durata de viata a unei constructii se poate obtine prin insumarea a doua tipuri de incarcari in una din urmatoarele doua ipoteze:

incarcarea de lunga durata maxima se suprapune cu cea mai mare dintre valorile componente extraordinare corespunzatoare perioadei de exercitare a acelei incarcari de durata sau, incarcarea extraordinara maxima posibila pe durata de viata a constructiei se suprapune cu valoarea componentei de lunga durata, corespunzatoare perioadei de exercitare a acelei incarcari extraordinare;

valorile maxime a acelor doua componente pe durata de viata a constructiei se considera simultan.

A doua ipoteza pare a fi exagerata in calcule, fapt pentru care este utilizata prima ipoteza.

Pentru simplificare, incarcarea totala Q se exprima ca o variabila independenta Q_s si Q_a, reprezentand cele doua tipuri de incarcari specificate .

Aceasta variabila Q aleatoare este definita prin densitatea de probabilitate f_a (q) sau prin functia de repartitie F_Q (q) . Rezultatele statistice pun in evidenta necesitatea reducerii acestor valori.

In STAS 10101 - 2A1 - 78 aceasta reducere se aplica grinzilor principale, elementelor portante verticale si fundatiilor.

a)   Pentru calculul grinzilor principale , in functie de marimea suprafetei aferente , coeficientii de reducere sunt:

pentru locuinte, birouri, spalatorii, anexe sociale, etc.

a unde A > 18 [m²];

pentru sali cu aglomerari mai mari, sali comerciale de magazine, sali de spectacole, muzee, etc.

a unde A > 36 [m² ].

b) Pentru calculul elementelor portante verticale si al fundatiilor prin intermediul coeficientilor h si h care au la baza criteriul numarului de nivele de deasupra elementului proiectat, reducerea se aplica astfel:

- pentru locuinte, blocuri, spalatorii, anexe sociale, etc.:

h

unde

m = numarul de plansee considerate deasupra sectiunii calculate ;

pentru sali cu aglomerari mai mari, sali comerciale de magazine, sali de spectacole, muzee, etc.

h

indiferent de marimea ariei.

Incarcarile se iau in consideratie cu intensitatile de calcul care se determina prin inmultirea intensitatilor normate cu coeficientii incarcarilor.

4. Actiunea vantului

Actiunea vantului care este produs al incalzirii neuniforme de catre soare a suprafetei terestre si este initiata de diferentele de presiune ce se creaza intre puncte de aceeasi altitudine, diferente ce apar in timp si spatiu .

Masa si viteza aerului aflat in miscare poseda energie cinetica care, in contact cu diverse obstacole de pe suprafata, se transforma integral sau partial in energie potentiala. Suprafata pamantului exercita asupra maselor de aer o forta de franare, forta care reduce viteza de deplasare a aerului. Efectul acestei forte asupra curentului de aer descreste cu inaltimea si devine neglijabil la o inaltime H_c numita inaltime de gradient.

Peste aceasta inaltime deplasarea se efectueaza cu o viteza constanta V_c, numita viteza de gradient.

Zona cuprinsa de la suprafata solului pana la inaltimea H_c constituie startul limita atmosferic. Inaltimea acestuia variaza in functie de intensitatea vantului si de rugozitatea terenului. Atunci cand vantul actioneaza in rafale, viteza acestuia este fluctuanta.

Regimul de turbulenta este caracterizat prin:

I_z -intensitatea turbulentei la inaltimea z de la sol ;

t_v'i -abaterea medie patratica a vitezei fluctuante a vantului;

-viteza medie a vantului la inaltimea z ;

I_z =

Viteza vantului se masoara cu anemometrele , de obicei in regim plan, extravilan, in zone lipsite de obstacole la o inaltime de 10 m.

Pentru constructii cu caracter deosebit (cladiri inalte, turnuri, etc.) se recomanda efectuarea de inregistrari chiar pe amplasamentul constructiei respective.

5. Actiunea zapezii

Zapada este un fenomen climatic natural a carui evolutie in timp este determinata de factori meteorologici ( temperatura, vant, etc ). In general zapada se depune in strat uniform pe suprafete inclinate pana la 50 , pentru pante intre 50-70 zapada ramane aderenta intr-un strat subtire, iar peste 70 aluneca. Imediat dupa depunere, zapada incepe sa se indese sub propria sa greutate, fenomen care produce cresterea greutatii zapezii.

La aceasta crestere contribuie in timp si fenomenul de inghetare a apei rezultate din condensarea vaporilor si a apei din topirea partiala a zapezii.

Actiunea vantului asupra zapezii poate avea un dublu efect: de compactare sau de antrenare .

Aprecierea intensitatii viscolului se face astfel:

i = 0,41 v - 2,5 g/min.cm²

rezulta ca fenomenul de viscolire (i > o) se produce incepand cu v=6m/sec.

Pana la viteze de 10 m/sec fenomenul este neglijabil, fenomenul devenind semnificativ peste aceasta viteza. La noi in tara, vanturile au o viteza de peste 100 km/ora.

6. Actiunea seismica

6.1 Elemente generale

Cutremurele de pamant sunt fenomene geologice naturale cu caracter distructiv de natura aleatoare atat prin cauzele care le produc, cat si al modului de manifestare.

Cutremurele pot fi de natura si origine variata ; tectonice, vulcanice, produse de explozii, etc.

Asupra constructiilor, dar si din punct de vedere seismologic, prezinta importanta cutremurele de origine tectonica. In cadrul unor teorii moderne, aceste cutremure se considera ca se produc astfel: scoarta terestra este formata din placi si subplaci rigide care reazema pe mantaua joasa in stare de fuziune si care se afla in continua miscare; deplasarea relativa a placilor separate prin falii, este franata de fortele de frecare ce apar pe suprafetele de contact dintre placi acumulandu-se energie de deformare in zonele de margine ale acestora. Cand situatia de echilibru dispare se produce alunecarea brusca a placilor in lungul faliilor uneori cu tendinte de suprapunere sau rupere in interiorul scoartei terestre - fenomenul este insotit de eliberarea unor mari cantitati de energie (zguduiri, vibratii.

Dupa adancimea focarului, cutremurele se clasifica in :

cutremure de suprafata care se produc in interiorul scoartei terestre (pana la 60 km adancime);

cutremure produse sub scoarta terestra (adancime 60 - 300 km);

cutremure adanci (peste 300 km).

Cutremurele vrancene fac parte din a doua categorie. Cutremurul din 1940 a avut focarul la cca. 133 km adancime , iar cel din 1977 a avut focarul la 90 - 100 km.

Severitatea miscarilor seismice variaza functie de : magnitudine, adancimea focarului, mecanismul de producere, distanta fata de epicentru, natura rocilor ce le traverseaza , conditiile locale de teren, densitatea constructiilor.

Magnitudinea M constituie o masura de evaluare a severitatii seismice. Ecuatia prin care se exprima energia eliberata E in cursul unei miscari seismice, in ergi, in functie de magnitudinea M, exprimata in grade pe scara Richter, este:

log E = 11,8 + 1,5 M .

Severitatea unui cutremur se masoara in grade ce corespund unei scari de intensitatea seismica legiferata in functie de efectele cutremurului asupra oamenilor si mediului inconjurator:

scara Mercalli modificata , propusa de Mercalli in 1883 , are 12 grade de intensitate;

scara magnitudinilor (Richter) - propusa in 1935 care evalueaza intensitatea cutremurelor dupa energia totala eliberata in focar are 9 grade de intensitate;

scarea MMK - 64 , care combina cele doua scari.

Proiectarea antiseismica a cladirilor se face in prezent conform Codului P100/2006, cod care corespunde EUROCODULUI 8 (SR EN 1998 - 1:2004) din seria codurilor europene de proiectare structurala.

Aplicarea prevederilor codului P100/2006 urmareste ca in cazul unor evenimente seismice, sa se asigure performantele de calitate privind:

evitarea pierderilor de vieti omenesti;

mentinerea fara intrerupere a activitatilor si serviciilor esentiale pentru desfasurarea continua a vietii sociale si economice;

evitarea producerii de explozii sau degajari de substante periculoase;

evitarea pagubelor materiale.

Pentru proiectarea constructiilor la actiunea seismica, teritoriul Romaniei este impartit in zone de hazard seismic. Nivelul de hazard seismic indicat in cod este nivelul minim pentru proiectare. Hazardul seismic pentru proiectare este descris de valoarea de varf a acceleratiei orizontale a terenului aq, determinata pentru intervalul mediu de referinta (IMR) corespunzator starii limite ultime.

Proiectarea seismica urmareste realizarea unei constructii sigure in raport cu hazardul seismic asociat amplasamentului. Aspectele conceptuale de baza se refera la :

simplitatea structurii;

redundanta structurii;

geometria structurii si a cladirii in intregul ei, cu considerarea modului de distribuire a elementelor structurale, nestructurale si a maselor;

rezistenta si rigiditatea laterala in orice directie;

realizarea ca diafragme a planseelor;

realizarea unor fundatii adecvate.

Simplitatea structurala presupune existenta unui sistem structural continuu si suficient de puternic care sa asigure un traseu clar cat mai direct si neintrerupt al fortelor seismice, indiferent de directia acestora.

Redundanta structurala presupune asigurarea ca:

ruperea unui element sau a unei singure legaturi structurale nu conduce la pierderea stabilitatii;

sa se realizeze un mecanism de plastifiere cu suficiente zone plastice care sa permita exploatarea rezervelor de rezistenta ale structurii si o disipare avantajoasa a energiei seismice.

Geometria structurii urmareste realizarea unei structuri ordonate cu uniformitate pe verticala, eliminarea zonelor sensibile, a concentrarilor de eforturi sau a deformatiilor plastice excesive care ar putea produce ruperi prematuri, reducerea excentricitatii.

Rigiditatea si rezistenta la translatie pe doua directii urmareste ca distributia elementelor structurale sa fie dispuse in plan in sistem ortogonal. Rigiditatea laterala trebuie sa fie suficienta pentru limitarea deplasarilor orizontale.

Rigiditatea si rezistenta la torsiune presupune limitarea posibilitatilor de rasucire in ansamblul cladirii - aspect ce ar conduce la majorarea eforturilor si deplasarilor orizontale ale cladirii. Realizarea acestei cerinte presupune dispunerea unor elemente suficient de rigide si rezistente perimetral cladirii .

Actiunea de diafragma a planseelor implica ca acestea sa aiba o capacitate de colectare a fortelor de inertie si transmitere a lor la elementele verticale ale structurii.

Metodele de calcul utilizate sunt:

Metoda fortelor laterale, asociate modului de vibratie fundamental;

Metoda calculului modal cu spectre de raspuns;

Metoda de calcul dinamic liniar;

Metoda de calcul dinamic neliniar;

Metoda de calcul static neliniar.

Metoda de referinta pentru determinarea efectelor seismice este calculul modal cu spectre de raspuns. Comportarea structurii este reprezentata printr-un model liniar - elastic, iar actiunea seismica este descrisa prin spectre de raspuns de proiectare .

In metodele de calcul dinamic liniar si neliniar, actiunea seismica este reprezentata prin accelerograme artificiale compatibile cu spectrul de proiectare.

La constructiile din clasa de importanta cu coeficientul g_l 1; calculul seismic liniar poate fi realizat pe modele plane, chiar daca criteriile de regularitate in plan nu sunt satisfacute, dar sunt indeplinite urmatoarele conditii:

a)    constructia are compartimentari si inchideri distribuite uniform;

b)   inaltimea constructiei nu depaseste 10 m;

c)    raportul inaltime/lungime nu depaseste 0,4;

d)   planseele orizontale au suficienta rigiditate in raport cu rigiditatea laterala a elementelor verticale de rezistenta.

Nivelul de asigurare al constructiilor se diferentiaza functie de clasa de importanta si de expunere la cutremur. Importanta constructiilor depinde de consecintele prabusirii asupra vietii oamenilor, importanta pentru siguranta publica si protectie civila, in perioada de dupa cutremur. Clasa de importanta si de expunere la cutremur este caracterizata de valoarea factorului de importanta g_e ale carei valori se prezinta astfel:

Masuri de conformare antiseismica pentru constructii

Capacitatea de rezistenta antiseismica a unei constructii depinde de masura in care aceasta capacitate a fost asigurata initial prin proiectare.

In cadrul prescriptiilor privind asigurarea antiseismica a constructiilor, se prevad o serie de masuri de conformare:

la stabilirea formei si alcatuirii de ansamblu a constructiilor, forme regulate si simetrice ,evitandu-se disimetriile pronuntate in distributia volumelor, maselor si rigiditatilor, in vederea evitarii efectelor defavorabile de torsiune generala

latimea rostului antiseismic se determina cu relatia:

d d d + 2 cm

unde d d sunt deplasarile totale a celor doua corpuri

in cazul cladirilor la care rigiditatea variaza pe inaltime, este necesara asigurarea unei variatii continue fara schimbari bruste de la un nivel la altul

prin modul de alcatuire, trabuie asigurata transmiterea directa a incarcarilor gravitationale la teren, evitandu-se structurile complicate.

7. Actiunea focului asupra constructiilor

Actiunea focului face parte din solicitarile extraordinare care pot sa apara cu o probabilitate data pe durata de viata a unei constructii.

In general, incendiile sunt cauzate de ignorarea sau insuficienta unor masuri de protectie impotriva focului.

Posibilitatea extinderii focului, amploarea pagubelor pricinuite de un incendiu depind de o serie de factori: severitatea incendiului, destinatia si gradul de combustibilitate ale cladirii , conformarea constructiei la foc inca din faza de proiect, numarul de nivele, distantele dintre cladiri.

In timpul incendiului desfasurat complet, temperatura depaseste frecvent 1000 C. Temperaturile atinse variaza dupa materialul ce arde, dupa cantitatea de aer ce alimenteaza focul.

La temperaturi inalte produse in timpul incendiului, caracteristicile termo-fizice se modifica. De exemplu, coeficientul de conductivitate termica l devine de 2 - 3 ori mai mare la 100 C fata de valoarea lui la temperaturi normale.

Variatia temperaturilor intr-un compartiment incendiat urmeaza o curba care evidentiaza trei faze:

faza I - temperaturile nu depasesc 200 C , cantitatea de caldura degajata este mica comparativ cu volumul compartimentului ;

faza II- propagarea arderii contribuie la cresterea rapida a temperaturii, se ating temperaturi critice ;

faza III corespunde consumarii energiei termice . La inceput temperaturile descresc repede dar apoi lent .

Fig. 3 Curba temperatura - timp pentru un incendiu real.

8. Gruparea actiunilor

Gruparile utilizate in calcul sunt:

a)   Grupari fundamentale

actiuni permanente;

actiuni temporare a caror prezenta simultana este practic posibila.

b)   Grupari speciale

incarcari datorate actiunii permanente;

incarcari datorate actiunii temporare a caror prezenta poate fi exceptionala in cazul aparitiei unei actiuni de acest gen;

actiuni exceptionale.

9. Terminologie