CONSTRUCTII - ELEMENTE GENERALE

Cea mai expresiva definitie a structurilor este cea formulata cu doua mii de ani in urma de Vitruviu: "Exista trei lucruri care trebuie sa se regaseasca in toate edificiile si anume: soliditatea, comoditatea si frumusetea".

Impreuna cu latura informativa si cea constructiva, utilitatea si expresivitatea, reprezinta elementele fundamentale ale functiunii arhitecturale.

Clasificarea constructiilor

Cea mai uzuala clasificare a constructiilor are la baza criteriul destinatiei. Din acest punct de vedere, se deosebesc doua mari categorii: cladirile si constructiile ingineresti.

Cladirile se pot clasifica dupa cum urmeaza:

Constructiile ingineresti cuprind:

constructii industriale speciale (cosuri de fum, silozuri, rezervoare, castele de apa, turnuri de racire);

constructii hidrotehnice si energetice;

cai de comunicatii (drumuri, cai ferate, poduri, tuneluri, piste, platforme);

linii de transport energie electrica si a fluidelor tehnologice, constructii, alimentari cu apa si canalizari.

Din punct de vedere al importantei, cladirile se clasifica in functie de mai multi factori:

Conform STAS  10100/0-75 - constructiile se clasifica dupa importanta lor avand in vedere urmatoarele criterii:

a)   consecintele depasirii starilor limita pentru viata si sanatatea oamenilor;

b) importanta economica a exploatarii continue a constructiei si consecintele, directe sau indirecte, ale iesirii, partiale sau totale, pe o perioada de timp mai lunga sau mai scurta, din exploatare;

c)   importanta pentru viata spirituala a colectivitatii continue a constructiei si consecintele depasirii unor stari limita pentru valorile cultural-artistice;

d)   durata prevazuta pentru exploatare.

In vederea incadrarii corecte a constructiilor in clase de importanta, in standarde sau in alte reglementari tehnice, se da exemplificativ, tabelul de mai jos.

1.2. Sistemul - cladiri si subansamblul ei

Proiectare rationala a cladirilor impune a apela la conceptul de sistem in sensul cel mai larg, considerand o cladire ca un ansamblu de elemente, interconectate printr-o  multime de relatii reciproce, precum si cu mediul inconjurator si care actioneaza in comun in vederea realizarii unei functii sociale sau de productie.

Intr-o asemenea viziune, sistemul cladire poate fi descompus in subsisteme pe baza criteriilor de functiune.

Un prim nivel ierarhic al descompunerii pentru cladiri civile poate fi:

spatii inchise in vederea crearii suprafetelor functionale

structura - asigura rezistenta si stabilitatea ansamblului

anvelopa (inchiderea perimetrala)

delimitari exterioare - portiuni din sistemul cladire care sunt in contact pe toate fetele cu mediul exterior

echipamente: instalatii electrice, incalzire, sanitare, ventilatie, conditionare , gaze, telecomunicatii, electromecanice.

In conformitate cu STANDARD SR ISO 6241/1998 subsistemele unei cladiri au urmatoarea componenta:

1.3. Conceptul de performanta

Conceptul de performanta in constructii constituie o procedura organizata de stabilire a caracteristicilor calitative ale sistemului constructii si a subsistemelor lui.

Elementul primordial al analizei de performanta il constituie identificarea exigentelor utilizatorilor si asigurarea aptitudinilor functionale si structurale.

Conceptul de performanta in constructii a aparut in anul 1962 la Congresul al II-lea al C.I.B.

In 1972 la Philadelphia (SUA) s-a organizat un mare simpozion international consacrat acestui subiect. In Europa, preocuparile pentru introducerea conceptului de performanta in domeniul constructiilor s-a materializat in publicatia editata in Belgia "Ghidul de performanta ale cladirii"- 9 volume, iar in 1984 ISO elaboreaza lucrarea "Norme de performanta in cladire. Continut al normelor pentru evaluarea performantelor".

In Romania introducerea exigentelor, respectiv ale criteriilor de performante dateaza de la sfarsitul deceniului al saptelea, preocupandu-se in mod special IPCT, INCERC, ICCPDC si alte institutii, care au elaborat lucrari si norme tehnice privind exigentele functionale.

Studiile intocmite ulterior legate de fundamentarea teoretica a conceptului de performanta, precum si exigentele si practica pe plan international, permit a se afirma ca aceasta este un instrument pentru promovarea progresului tehnic si a solutiilor novatoare in constructii.

Aplicarea acestui concept poate fi considerat o revolutie in domeniu, o schimbare profunda a modului traditional de conceptie si proiectare, realizare si exploatare al cladirilor, deoarece aceasta impune o abordare globala a tuturor problemelor si aspectelor.

Definitiile si conceptele promovate in analiza performantelor evicentiaza nu "ceea ce reprezinta un produs" ci "ceea ce trebuie sa ofere acesta".

Legea nr. 10/1995 privind calitatea in constructii precizeaza urmatoarele exigente esentiale:

a.   rezistenta si stabilitatea;

b.   siguranta in exploatare;

c.   siguranta la foc;

d.   igiena: sanatatea oamenilor, refacerea si protectia mediului;

e.   izolarea termica, hidrofuga si economia de energie;

f.    protectie impotriva zgomotului.

Obligatiile prevazute in exigentele esentiale revin factorilor implicati in conceperea, realizarea si exploatarea constructiilor, precum si in postutilizarea lor, privind responsabilitatile fiecaruia.

Performantele de comportament ale constructiilor respecta in evolutia lor anumite conditii de calitate specifice destinatiei acestora.

Standardul SR ISO 6241/1998 clasifica cerintele utilizatorului pe urmatoarele categorii:

Factorii care influenteaza performantele unei cladiri sunt prezentat in SR IS) 6241/1998 astfel:

Prin urmare, etapele analizei conceptului de performanta in constructii sunt:

identificarea exigentelor utilizatorului;

analiza conceptului de performanta prin trecerea de la exigentele utilizatorului la exigentele de performanta asociate cladirii si diferitelor ei subsisteme;

stabilirea criteriilor de apreciere a gradului de satisfacere a fiecarei exigente de performanta, numite "criterii de performanta". Valoare minima sau maxima a dmisibila a acestora defineste "performanta normata".

1.4. Siguranta constructiilor

Intelegerea intuitiva a notiunii de siguranta a aparut din cele mai vechi timpuri. In antichitate si in perioada evului mediu, siguranta structurilor se obtinea exclusiv prin experienta, intuitia si arta constructorilor.

Elemente fundamentale stiintifice au aparut abia in ultimele trei secole.

Prima definitie data conceptului de siguranta ca raport dintre incarcarea la rupere si incarcarea efectiva (admisa), apartine lui Rankine (1862). Valorile mari ale coeficientului de siguranta indicate de Rankine (2-10) corespund nivelului scazut al cunostintelor din acea vreme privind evaluarea incarcarilor si estimarea rezistentelor materialelor.

Istoria modului de considerare a variabilitatii factorilor principali ai sigurantei contureaza insasi evolutia conceptului si al coeficientului de siguranta ca si metodele de calcul.

Astfel, metodele abordate pot fi:

Metode deterministe din categoria carora fac parte: metoda rezistentelor admisibile si metoda la rupere a capacitatii portante. Aceste metode nu au o justificare stiintifica iar valorile coeficientului de siguranta sunt stabilsite empiric, prin apreciere, pe baza de traditii si experienta, acoperind partial variabilitatea factorilor principali de care depinde siguranta;

Metoda semiprobabilistica a starilor limita care este superioara metodei deterministe si are la baa analiza starii in care o constructie sau un element de constructie isi pierde capacitatea portanta odata cu atingerea starii limita;

Metode probabilistice de calcul bazate pe teoria probabilitatilor de mentinere a aptitudinii unei cladiri in vederea satisfacerii functiunii sale pe toata durata de serviciu.

Trasaturile esentiale ale metodei starilor limita sunt:

se considera sistematic diferite stari limita posibile pentru o constructie data

se considera in mod independent variabilitatea diferiilor factori care afecteaza siguranta constructiilor stabilindu-se, in consecinta, datele cantitative care determina nivelul de asigurare a constructiei.

Se intelege prin stare limita o stare a carei atingere implica:

pierderea reversibila sau ireversibila a capacitatii unei constructii de a satisface conditiile de exploatare legate de destinatia stabilita, sau

aparitia unor pericole pentru viata sau sanatatea oamenilor, respectiv pentru bunuri materiale sau culturale a carei conservare depinde de constructia respectiva

Starile limita se impart in doua categorii:

a.   stari limita ultime (stari limita care corespund epuizarii capacitatii portante sau unei alte pierderi ireversibile a calitatilor necesare exploatarii constructiilor

b.   stari limita ale exploatarii normale (stari limita care corespund intreruperii capacitatii de asigurare a exploatarii normale a constructiilor)

Principalele fenomene care pot conduce la aparitia starilor limita din prima categorie, sunt:

c.   ruperi de diferite naturi

d. pierderea stabilitatii unei parti a constructiei sau a constructiei in ansamblu

e.   pierderea stabilitatii pozitiei (prin lunecare, rasturnare)

f.    stari care implica scoaterea din lucru a constructiei datorita unor deformatii sau fisuri remanente excesive.

Principalele fenomene care pot conduce la aparitia starilor limita din a doua categorie , sunt:

deplasari statice sau dinamice excesive

fisuri excesive.

In analiza starilor limita este necesar a se considera toate fenomenele care conduc la aparitia acestor stari individuale sau in combinatie.

In calcule, se utilizeaza diferiti parametri (intensitati, amplitudini, frecventa, etc. )  pentru actiuni; rezistente , module de elasticitate, etc. ale caror valori pot fi normate sau de calcul.

Valorile de calcul sunt valori de referinta stabilite dupa reguli precizate in STAS 10100/0-75 si in alte standarde si normative de specialitate.

Valorile de calcul sunt valori utilizate in diferitele verificari si iau in considerare abaterile posibile in sens defavorabil fata de valorile caracteristice.

Verificarea sigurantei constructiilor in raport cu diferitele stari limita trebuie sa se efectueze avandu-se in vedere:

o ipoteza realista asupra cresterii intensitatii actiunilor pana la intensitatea corespunzatoare starilor limita pentru schemele de incarcare considerate

specificul de comportare a structurii in stadiul considerat.

Probabilitatea de avariere a unei structuri rezulta din compararea distributiei actiunilor cu a distributiei caracteristicilor structurale. Schema principiului de verificare a capacitatii portante este ilustrata in fig. 1.1 ipoteza distributiei normale Gauss. Se poate observa ca solicitarea maxima este mai mica decat capacitatea portanta minima in timp ce in fig. 1.1.b capacitatea portanta minima este mai mica decat solicitarea maxima avand loc ruperea, cedarea sau prabusirea structurii.

Fig. 1.1.Schema principiului de verificare a capacitatii portante:

a - solicitarea maxima < capcitatea portanta minima; b- solicitarea maxima > capacitatea portanta minima; 1 - capacitatea portanta minima; 2- solicitartea maxima; 3 - solicitarea normala ; 4 - capacitatea portanta normata; n - densitatea de probabilitate

Zonele de suprapunere a celor doua functii de frecventa pentru incarcari f_S (x) si pentru rezistentele f_R(x) indica probabilitatea de avariere (accident, rupere). Notand coordonatele punctului de intersectie a celor doua distributii cu S si R, se pot defini urmatoarele probabilitati:

probabilitatea de pierdere a capacitatii portante, de avariere, accident sau de rupere (prabusire sau colaps) P_r, cuprinsa intre P(S>R) si P(R S

probabilitatea de comportare sigura a structurii fata de variatiile aleatoare ale incarcarii si rezistentei, cuprinsa in domeniul probabilitatilor P(S>R) si P(R S) sau reliabilitatea L, care este o masura a sigurantei.

Fig. 1.2. Model probabilistic pentru R si  S

Deoarece masa de probabilitate distribuita pe intreaga arie limitata de curba de distributie si axa abscizelor este egala cu unitatea, atunci:

f(x) dx = 1

rezulta ca probabilitatea de pierdere a capacitatii portante este egala cu unitatea minus reliabilitatea:

P_r = 1 - L

adica, fata de densitatea probabilitatii actiunilor, rezulta:

P(S>R) =1-P (S R

si fata de densitatea probabilitatii rezistentelor, rezulta:

P(R S) = 1-P (R>S)

O exprimare mai sugestiva se poate obtine cu ajutorul modelului probabilistic condensat R - S (rezistenta minus efectul actiunii) in care :

probabilitatea de avariere reprezinta aria de sub functia f(R-S) de la - la zero, definita prin:

P_r = P(R-S

reliabilitatea care reprezinta aria de sub functia f(R-S) de la zero la + si care este definita astfel:

L = 1 - P_r= P(R-S>0)

Fig. 1.3. Model probabilistic condensat R S

Utilizand ca variabila aleatoare raportul rezistenta - efect actiune se obtin expresii mai semnificative.

probabilitatea de pierdere a capacitatii portante

P_r = P(R/S

reliabilitatea

L = 1 - P_r= P(R/S-1)

La constructiile de importanta redusa, unele criterii de realiabilitate pentru diferite comportari mecanice (fisurare, rigiditate, deformatii, etc.) pot fi mai putin severe decat in mod obisnuit motivt de faptul ca avariere acestora nu pun in pericol pierderi materiale si umane.

In evaluarea probabilitatii de pierdere a stabilitatii, a capacitatii portante, se pot considera intensitatile actiunilor si rezistentelor ca variabile aleatoare independente pentru o structura sau elemente componente ale acestuia.

Probabilitatea ca un element de rezistenta  R sa fie actionat de o incarcare mai mare decat S, corespunde zonei de suprapunere P(R S) si P(S>R) si se poate exprima astfel:

1-F_s(x) f_R(x)dx

unde:

x = S

F_s(x) = f_s(x)dx

F_R(x) = f_R(x)dx

Probabilitatea ca actiunea sa fie mai mare decat o valoare data S se poate exprima astfel:

P(x>S) = f_s(d)dx = 1 - f_s(x)dx = 1 - F_x(x)

In probabilitatea ca rezistenta sa aiba o valoare data x =R, este:

F_s(x) dx

Astfel, probabilitatea de avariere a unei cladiri se poate exprima:

P_r= P(R S F_R(x).f_s(x) dx

Expresia evalueaza aria din zona de suprapunere a densitatii probabilitatii actiunilor si rezistentelor (capacitatilor portante) si se numeste integrala de convolutie, solutia obtinandu-se prin metode grafice sau analitice.

In cazul aplicarii repetate a incarcarilor, probabilitatea ca structura sa reziste se masoara in functia de risc a pierderii capacitatii portante h(n). Probabilitatea comportarii sigure, adica reliabilitatii scade cand n creste.

In realitate, ruperea unui element poate avea loc dupa mai multe moduri de rupere sau de cedare l (incovoiere, forfecare, torsiune, etc.), considerate independente si pentru o singura actiune aleatoare S actionand singular sau cu grad de repetabilitate n.

Probabilitatea de avariere se poate exprima astfel:

P_r(l) =lP si P(l,n) = l.n.P_r

si reliabilitatea:

L(l) = 1 - lP_r

L(l,n) = 1 - l .n.P_r

Pentru coeficientul de siguranta exista mai multe formulari practice bazate pe interpretare probabilistica (Freudenthal, Cronell, Gauss).

Fig.1.4. Definirea coeficientului de siguranta.