Structuri de rezistenta la cladiri

STRUCTURI DE REZISTENTA LA CLADIRI

Elemente generale

Structura de rezistenta reprezinta o componenta principala a oricarei constructii, avand drept rol asigurarea rezistentei si stabilitatii de ansamblu aacesteia.

Principalele parti ale structurii de rezistenta sunt infrastructura si suprastructura.

Structura de rezistenta a unei cladiri si elementele componente trebuie

sa raspunda unei game largi de exigente de performanta.

Exigente privind rezistenta structurala si stabilitatea de ansamblu la

starea limita de exploatare normala. Acestea se refera la:

- asigurarea exploatarii normale, prin evitarea unor deformatii verticale

sub actiunea incarcarilor din exploatare;

- asigurarea exploatarii normale a cladirii si a confortului utilizatorului sub actiunea vantului, seismului, prin evitarea deplasarilor laterale excesive;

- asigurarea rigiditatii adecvate a structurii, prin evitarea deformatiilor orizontale excesive sau a tasarilor diferentiate;

- asigurarea rezistentei necesare la fisurare a elementelor structurale in conditii normale de exploatare;

- asigurarea exploatarii normale, prin evitarea unor vibratii excesive, a unor socuri, avarii locale, a elementelor structurale sub actiunea unor sarcini din exploatare.

Rezistenta structurala si stabilitatea de ansamblu la stari limita ultime se refera la:

- asigurarea stabilitatii si a capacitatii de rezistenta sub actiunea incarcarilor maxime (ultime), astfel incat sa fie evitata prabusirea;

- evitarea cedarii progresive (in lant) a structurii, ca urmare a unor deformatii remanente importante provocate de incarcari din exploatare excesive, repetate sau de lunga durata;

- asigurarea rezistentei structurii si a elementelor sale componente sub influenta actiunii locale a elementelor de instalatii sau a altor echipamente fixate sau inglobate in structura.

In vederea realizarii unui mecanism structural capabil sa disipeze energia indusa de un cutremur, pentru structurile in cadre trebuie respectata conditia:

ΣM_{RC Rd}ΣM_Rb

in care:ΣM_RC - reprezinta suma valorilor de proiectare ale momentelor capabile ale stalpilor;

ΣM_Rb - suma valorilor de proiectare ale momentelor capabile in grinzile care intra in nod;

_Rd - factorul de suprarezistenta datorat efectului de consolidare al

otelului, care are valori de 1,3, pentru clasa de ductilitate ridicata H si 1,2, pentru clasa de ductilitate medie M.

Aceasta relatie nu este necesar a fi verificata pentru constructii cu un singur nivel, la ultimul nivel al constructiilor etajate sau la primul nivel al cladirilor cu doua niveluri, daca valoarea normalizata a fortei axiale _d 0,3 pentru toti stalpii.

Prin urmare, la structurile in cadre, stalpii se vor dimensiona la valori ale momentelor M_Edc:

unde: - reprezinta momentele capabile din grinzi;

- momentele din grinzi rezultate din calculul structural;

- momentul in stalp, din calculul structural.

Exigente privind siguranta la foc. Acestea constau in:

- asigurarea integritatii si stabilitatii in caz de incendiu;

- asigurarea capacitatii de rezistenta si a durabilitatii structurii dupa incendiu, prin masuri adecvate, astfel incat sa se obtina cel putin nivelul de siguranta existent anterior incendiului.

Exigente privind durabilitatea. Acestea se exprima prin:

- asigurarea mentineri, integritatii si a rezistentei in timp a materialelor;

- asigurarea protectiei elementelor structurale impotriva actiunii umezelii provenite din condensarea vaporilor de apa, susceptibile sa provoace degradarea materialelor constitutive.

Exigente de natura economica. Prin structura de rezistenta a unei cladiri se intelege ansamblul de elemente de constructie verticale si orizontale, destinat asigurarii preluarii si transmiterii la terenul de fundare a tuturor incarcarilor ce actioneaza asupra constructiei.

Structurile trebuie sa fie concepute ca un sistern spatial capabil sa preia actiunile in conditii de maxima siguranta si de eficienta economica, tinand seama de exigentele care guverneaza o cladire civila.

Structura de rezistenta trebuie sa aiba o forma cat mai simetrica, cu masele uniform distribuite in plan si pe inaltime.

Clasificarea structurilor de rezistenta

Clasificarea structurilor de rezistenta in general se face in functie de modul de alcatuire constructiva, de modul de comportare la actiunea seismica si dupa forma in plan si elevatie.

. Dupa modul de alcatuire constructiva, se disting:

- structuri alcatuite din pereti si diafragme;

- structuri din cadre;

- sfiructuri mixte (cadre + diafragme);

- structuri cu alcatuiri speciale (tub, tub in tub).

Dupa modul de comportare la actiuni orizontale, se disting:

- structuri care lucreaza ca o consola scurta ;

- structuri care lucreaza ca o consola mijlocie ;

- structuri care lucreaza ca o consola lunga .

Dupa rigiditatea laterala, respectiv maxima la deformare sau ductilitatea de ansamblu, structurile sunt:

- structuri rigide: T < 0,35s;

- structuri semirigide: 0,35 s < T< 0,9 s;

- structuri flexibile: T > 0,9s.

. Dupa forma in plan a cladirii, exista:

- structuri cu forma ordonata in plan;

- structuri cu forma neordonata in plan.

Dupa forma in elevatie, se disting:

- structuri cu inaltime constanta;

- structuri cu inaltime variabila (in trepte).

. Dupa modul de comportare la actiuni seismice, cladirile din beton armat se clasifica in:

- sistem tip cadre;

- sistem dual;

- sistem tip pereti;

- sistem pendul inversat;

- sistem flexibil la torsiune.

Alegerea tipului de structura pentru constructii civile reprezinta un proces complex in care intervin mai multi factori, si anume: destinatia cladirii, regimul de inaltime, conditiile de amplasare, materialele utilizate, tehnologia de executie, indicatorii tehnico-economici.

Conformarea structurilor. Din motive de ordin tehnico-economic si constructiv, se recomanda ca structura unei cladiri sa fie pe cat posibil simetrica masele din componerntele structurale si incarcarile utile sa fie uniform distribuite in plan si pe inaltime.

Cladiri cu structura in cadre din beton armat

3.1. Elemente generale. Clasificare

Structurile in cadre fac parte din categoria sistemelor structurale cu schelet alcatuit, in general, dintr-un sistem spatial de bare verticale si orizontale, stalpi si grinzi imbinate in noduri.

Reteaua de dispunere a stalpilor are in general un caracter regulat, fiind conditionata de cerintele de functionalitate ale cladirii, de conditiile, de rezistenta, stabilitate, rigiditate, de modul de alcatuire a planseelor, precum si de unele cerinte ale tehnologiei de executie.

Lungimea tronsoanelor dintre rosturile de dilatare si contractie trebuie sa fie de 50 m, pentru cadre monolite, si 60 m, pentru cadre prefabricate.

Structurile in cadre au un domeniu larg de utilizare si sunt economice la structuri cu pana la 15 nivele. Peste aceasta inaltime, structura nu mai prezinta o conformare adecvata, crescand apreciabil dimensiunile structurale, fapt pentru care, pentru aceste cladiri se recomanda adoptarea unei structuri mixte.

Structurile in cadre sunt sisteme spatiale care, de regula, se calculeaza dupa o directie, iar dupa cealalta se fac verificari.

Structurile in cadre se clasifica dupa urmatoarele criterii:

dupa alcatuirea structurii:

- cadre cu un nivel;

- cadre etajate;

- cadre multiplu etajate;

dupa forma acoperisului:

- cu acoperis drept;

- cu acoperis inclinat;

- cu acoperis curb;

dupa alcatuirea barelor:

- cu bare cu sectiune constanta;

- cu bare cu sectiune variabila;

dupa modul de rezemare:

- cadre articulate;

- cadre incastrate;

dupa modul de armare:

- din beton armat cu armatura flexibila;

- din beton armat cu armatura rigida.

Cadrele sunt structuri static nedeterminate. Eforturile care apar in barele unui cadru depind de:

- incarcari;

- forma cadrului;

- dimensiunile si rigiditatea barelor;

- forma barelor;

- realizarea incastrarilor si articulatiilor.

3.2. Cadre din beton armat monolit

Aceste structuri fac parte din categoria structurilor traditionale, la care se pot adopta tipuri variate de plansee din beton armat monolit sau prefabricat.

La cladirile cu structura din cadre se pot adopta orice tipuri de plansee, in functie de alcatuire si dimensiunile retelei de stalpi, destinatie, cerinte functionale si estetice.

Exemple:

- placa continua rezemata pe grinda, cu grosime minima de 8 cm;

- placa continua rezemata pe nervuri si grinzi;

- placa continua rezemata pe retea de grinzi.

In perioada 1970-1990, la cladiri cu structura din cadre de beton armat

monolit s-au utilizat tot mai mult plansee prefabricate. In cazul planseelor

prefabricate, o atentie deosebita trebuie acordata conditiilor de rezemare si

de monolitizare.

Cladiri cu structura din diafragme

In sensul larg al cuvantului, in categoria diafragme se considera peretii portanti de contravantuire, indiferent daca acestia sunt executati din beton sau zidarie.

Calculul diafragmelor verticale portante se face pe aceleasi principii, indiferent daca sunt din beton sau zidarie.

In sens restrans, prin denumirea de diafragme verticale se inteleg numai peretii portanti sau de contravantuire din beton armat care au rolul de a transmite terenului de fundare pe langa incarcarile verticale, si incarcarile

orizontale provenite din vant sau cutremur.

Diafragma este un element structural principal care se studiaza dupa legile teoriei elasticitatii, iar, uneori simplificat, dupa rezistenta materialelor.

Calculul diafragmelor la incarcari verticale consta in evaluarea corecta a incarcarilor si verificarea sectiunilor solicitate, cu luarea in considerare a fenomenului de flambaj.

Calculul diafragmelor la incarcari orizontale constituie o problema mai dificila sub aspectul stabilirii gradului de conlucrare dintre elementele structurale (diafragme, planseu etc.).

Un calcul de ansamblu al cladirii este deosebit de laborios, motiv pentru care metodele actuale de calcul se bazeaza pe ipoteze simplificatoare, care constau in descompunerea structurii, din structuri verticale cu sectiune complexa in structuri verticale cu sectiune simpla. Schema statica a unei cladiri din diafragme este o consola incastrata rigid in fundatie.

In cazul cladirilor din panouri mari (diafragme prefabricate) din beton armat, calculul eforturilor si al deformatiilor se face, in general, pe schema unei diafragme monolite, in ipoteza ca imbinarile intre panouri asigura monolitismul diafragmelor.

Avand in vedere premisele si ipotezele facute, un astfel de calcul imprima de la inceput un anumit grad de aproximatie, a calculului structurilor cu diafragme. Astfel, proprietatile materialelor (zidarie, beton) din care sunt executate diafragmele sunt exprimate cu aproximatie, sub forma dependentei date de legea lui Hooke, iar legile de variatie ale modulului de elasticitate, ale momentului de inertie si ale rigiditatii diafragmelor sunt insuficient cunoscute, datorita procesului de fisurare, care se dezvolta continuu, pe masura aparitiei solicitarilor din contractie, temperatura, incarcari exterioare etc.; calculul la solicitari dinamice (seismice) are si el un caracter de apreciere.

In general, pentru cladiri cu putine niveluri, se considera ca un calcul static aproximativ, care necesita un volum redus de munca, este in majoritatea cazurilor suficient de exact pentru nevoile proiectarii curente.

In calculul structurilor din diafragme se intalnesc doua tipuri de diafragme, si anume: pline si cu goluri.

In ceea ce priveste calculul diafragmelor pline la incarcari orizontale, acestea nu prezinta aspecte noi fata de calculul cunoscut al grinzilor-consola.

In cazul diafragmelor cu goluri, spre deosebire de diafragmele pline, calculul se complica si depinde de forma, marimea si modul de dispunere (simetrica sau asimetrica) a golurilor in diafragma etc.

In general, tipurile de structuri cu diafragme, care intervin la cladirile etajate, de locuit, social-culturale sau administrative, se caracterizeaza prin aceea ca sunt monotone pe verticala, ceea ce presupune respectarea urmatoarelor conditii:

- caracteristicile geometrice ale sectiunii diafragmelor si ale materialelor folosite la executarea lor sunt constante pe toata inaltimea cladirii;

- inaltimile etajelor sunt egale;

- golurile de usi sau ferestre sunt suprapuse si egale la toate nivelurile, in cadrul aceluiasi sir de goluri, plinurile orizontale (buiandrugii) fiind de asemenea egale la toate nivelurile etc.

Cladirile cu structura din diafragme de beton armat monolit constituie una dintre solutiile constructive aplicabile pentru realizarea cladirilor etajate.

Structurile din diafragme de beton armat monolit prezinta o serie de avantaje si dezavantaje. Dintre avantaje se mentioneaza: capacitate portanta, rigiditate si durabilitate mari, conlucrare spatiala buna intre elementele structurale (pereti si plansee) si posibilitati largi de executie prin procedee tehnologice avansate. Dintre dezavantaje se poate mentiona faptul ca necesita o perioada lunga de executie si au o rezistenta la transmisie termica redusa, ceea ce impune luarea unor masuri speciale pentru realizarea peretilor exteriori, care trebuie sa asigure o anumita capacitate de izolare termica.

Cladirile din diafragme de beton armat monolit se pot realiza intr-o varietate mare de forme constructive in plan si spatiu. Clasificarea acestora se poate face in functie de forma in plan a constructiei, dispozitia in plan a diafragmelor si tehnologia folosita la executarea lor.

Dupa forma in plan se disting:

- cladiri liniare, de tip bara, avand forma dreptunghiulara, cu compartimentare deasa (de tip fagure) sau celulara (fig. 2);

- cladiri-punct, de tip turn, cu dimensiuni in plan apropiate dupa cele doua directii si avand forma patrata, circulara sau oarecare (fig.3);

- cladiri cu forme diverse in plan (fig.4).

Dupa modul de dispunere in plan a diafragmelor, se disting:

- structuri de tip fagure, cu reteaua de diafragme transversale dispuse la distante relativ mici, de 3-4 m (fig.5);

- structuri de tip celular, cu reteaua de diafragme longitudinale transversale dispuse la distante mai mari (10-14 m), delimitand unitati functionale (un apartament etc.), avand plansee de tip dala sau placa cu grinzi intermediare;

Se recomanda ca structurile sa se alcatuiasca de asa maniera incat sa fie evitate nesimetrii geometrice sau mecanice, respectiv sa fie evitate fenomenele de rasucire.

In functie de tipul structurii, de caracteristicile geometrice ale elementelor componente si de inaltimea constructiei calculul structurii portante verticale se poate face dupa una din urmatoarele metode:

- metode de calcul simplificate;

- metode de calcul cu complexitate medie;

- metode de calcul cu complexitate ridicata (exacte).

In calculul cu metode simplificate se au in vedere urmatoarele ipoteze simplificatoare (fig.6):

- distributia incarcarilor orizontale se poate considera uniforma pe inaltimea constructiei, in cazul actiunii din vant, si triunghiulara, in cazul actiunii seismice (fig:6,a);

- se admite ca deformatele tuturor diafragmelor pline sau cu goluri care alcatuiesc structura sunt egale, astfel ca repartizarea spatiala a fortelor orizontale la toate diafragmele componente se poate face din conditia de egalitate a deplasarilor orizontale (sagetilor) la un singur nivel; pentru a tine seama de diferentele care exista in realitate intre formele deformatelor diferitelor tipuri de diafragme (pline sau cu goluri) ale structurii (fig. 6) este indicat ca nivelul pentru care se pune conditia de egalitate a sagetilor sa fie situat la 0,8 H (H- inaltimea totala), deoarece s-a constatat ca, la marea majoritate a cazurilor, la acest nivel diferenta dintre sagetile diafragmelor pline si cu goluri este minima.

In cazul in care se tine seama in calcul si de rotirile fundatiilor diafragmelor, ca urmare a tasarii terenului sub actiunea incarcarilor orizontale, se considera ca rotirea la baza tuturor plinurilor (montantilor) este aceeasi.

In acest sens, o importanta deosebita o are rigiditatea planseului in planul lui.

In cazul planseelor cu rigiditate redusa in planul lor, rigiditatea spatiala a cladirii este doar partial asigurata, in consecinta conlucrarea elementelor verticale in preluarea incarcarilor orizontale se realizeaza numai partial. In functie de rigiditatea planseului, preluarea incarcarilor orizontale se face proportional, atat cu rigiditatea elementelor verticale cat si cu rigiditatea planseului din zona aferenta lor, ceea ce face ca in cazul planseelor cu rigiditate redusa, acestea sa se deformeze diferit (fig.7,b). Cand, insa, rigiditatea planseului in planul lui este mare (infinita), se realizeaza o buna rigiditate spatiala si deci o buna conlucrare intre elementele verticale la preluarea incarcarilor orizontale, deformatiile elementelor mai putin rigide fiind impiedicate de elementele mai rigide (fig.7,c).

In cazul in care centrul de masa sau de greutate (C.G) al structurii nu coincide cu centrul de rigiditate (C.R) al acesteia, iar directia de actiune a fortei orizontale de la un anumit nivel k, F_k, nu trece prin centrul de rigiditate al structurii, se produce o torsiune (rotire) a structurii portante in juru1 centrului de rigiditate (fig.8).

Deci, cand C.R. nu coincide cu C.G., respectiv cu directia de actiune a rezultantei fortelor laterale, F, se produc in planul planseului momente de torsiune (rasucire). Avand in vedere, insa, ca toate elementele structurale lucreaza defavorabil la torsiune, rezulta:

- structuri cu diafragme (grinzi-pereti) rezemate pe stalpi, care se dispun decalat numai la fiecare a doua traversa (fig. 9,a, b);

- structuri cu diafragme plane sau curbe, dispuse dupa directii arbitrare (fig. 9,c), utilizate de obicei la realizarea unor constructii unicat, de o importanta mai deosebita etc.

Exista diferite tehnologii la executarea diafragmelor:

- tehnologia de turnare in cofraje de inventar, executate din panouri de lemn si metal;

- tehnologia de turnare in cofraje plane universale; executate din metal, avand dimensiuni ce depasesc, in general, dimensiunea unei incaperi;

- tehnologia de turnare in cofraje glisante, executate din lemn captusit cu tabla.

Cladiri cu structuri mixte, cu nuclee tubulare

5.1. Elemente generale

Structurile cu schelet mixt sunt alcatuite in ansamblu dintr-un numar de cadre asociate cu diafragme dispuse izolat sau sub forma de nuclee. Astfel de sisteme structurale raspund unor exigente precum:

- satisfacerea cerintelor functionale;

- asigurarea rezistentei, stabilitatii, rigiditatii necesare structurii atat in

procesul normal de exploatare cat si in cazul unor sarcini exceptionale;

- posibilitatea cresterii marimii unor parametri geometrici (marimea deschiderilor, inaltimea si numarul de nivele);

- posibilitatea industrializarii.

Datorita comportarii lor favorabile la actiuni orizontale, aceste sisteme structurale apar ca deosebite pentru cladiri multietajate. Aceasta comportare este definita prin conlucrarea dintre cadre si diafragme.

Deformatiile diferite ale cadrelor, respectiv ale diafragmelor, determina aparitia unor forte de interactiune intre cele doua tipuri de elemente.

In general, la partea de jos, diafragmele limiteaza deplasarile iar la partea superioara, cadrul tinde sa reduca deplasarea laterala a diafragmei, conlucrare ce contribuie la imbunatatirea comportarii de ansamblu a structurii.

Sporul de rigiditate ce se obtine se manifesta favorabil in comportarea la actiuni seismice, prin reducerea amplitudinii si a perioadei oscilatiilor proprii de vibratie.

In functie de modul de distributie a diafragmelor, structurile sunt:

- cu diafragme dispuse izolat;

- cu diafragme concentrate sub forma unor nuclee prin care se rezolva circulatia pe verticala.

In calcul, astfel de structuri sunt studiate avand in vedere urmatoarele ipoteze:

- materialul este omogen, izotrop, liniar elastic;

- planseele structurii sunt perfect rigide in planul lor, asigurand la fiecare nivel egalizarea deplasarilor tuturor elementelor verticale de rezistenta.

5.2. Alcatuirea constructiva de ansamblu

Structurile cu alcatuire mixta sunt realizate dintr-un sistem de cadre caruia i se asociaza un numar de diafragme dispuse regulat sau grupat. Prin aceasta rezolvare se urmareste mentinerea flexibilitatii de organizare a spatiului oferit de structurile in cadre, asigurand rezistenta si rigiditatea cladirii la actiuni orizontale prin diafragme prevazute special in acest scop.

Considerate independente, un cadru si o diafragma prezinta caracteristici de deformabilitate diferite sub actiunea incarcarilor orizontale.

Participand la alcatuirea unei structuri, cadrele si diafragmele component sunt obligate sa adopte o deformatie identica datorita legaturilor asigurate la fiecare nivel de catre saibele rigide ale planseelor. Aceasta conlucrare a cadrelor cu diafragmele da nastere unor forte de interactiune, ~

obtinandu-se in ansamblu structuri cu doua efecte favorabile:

- reducerea pronuntata a marimii deplasarilor laterale provocate de actiunea incarcarilor orizontale;

- reducerea marimii distorsiunilor planseelor si eforturilor sectionale ce apar in elementele acestora.

Rigiditatea sporita a unei structuri alcatuite din cadre si diafragme cu conlucrare spatiala, in raport cu aceea a unei structuri in cadre, are implicatii favorabile asupra comportarii la cutremur, vant, reducand amplitudinea oscilatiilor cladirii si eliminand sau atenuand efectul modurilor superioare de vibratie ("lovitura de bici"). Totodata, printr-o amplasare judicioasa a diafragmelor se poate diminua considerabil efectul torsiunii generale.

La structurile mixte, rigiditatea cadrelor este in general mult mai mica

decat cea a diafragmelor, astfel incat acestea din urma preiau aproape toate incarcarile orizontale. Totusi, datorita eforturilor ce iau nastere in structura, in zona superioara a cladirii cadrele aduc o contributie importanta la asigurarea rigiditatii la actiuni laterale. Avand de preluat preponderent eforturile sectionale provenind din incarcari gravitationale, stalpii si grinzile cadrelor componente ale unei structuri se afla in conditii favorabile in comparatie cu elementele structurilor alcatuite in exclusivitate din cadre. In aceste conditii , realizarea de noduri de cadru rigide nu mai reprezinta un factor indispensabil pentru asigurarea rezistentei, stabilitatii si rigiditatii structurii la actiuni orizontale. Aceasta situatie creeaza premisele pentru simplificarea si unificarea alcatuirii riglelor de cadru la toate nivelurile cladirii, sau pentru adoptarea planseelor fara grinzi.

Daca prin modul de dispunere a elementelor in plan, diafragmelor le revin forte axiale mici, momentele incovoietoare mari provocate de incarcarile orizontale duc la aparitia de tensiuni de intindere importante in diafragme. Din aceleasi cauze se intalnesc situatii in care apar in talpa fundatiilor eforturi de intindere, ceea ce necesita rezolvari constructive pentru antrenarea intregii fundatii la preluarea si transmiterea la teren a incarcarilor. Realizarea conlucrarii cadru-diafragma este conditionata de asigurarea comportarii ca saiba rigida a planseelor.

Pozitia diafragmelor se stabileste in functie de natura cladirii. prevederea unor diafragme la distante mici face ca structura sa se apropie de un sistem cu model celular.

Structuri cu nuclee rigide

Elemente generale. Alcatuire. Gruparea diafragmelor in nuclee avand, din punct de vedere structural rolul de a prelua o parte din incarcarile verticale precum si majoritatea incarcarilor orizontale reprezinta o solutie eficienta la constructii civile. La cladirile tip punct sau cu o lungime mica, se adopta un singur nucleu, pe cand la cladirile tip bara se utilizeaza doua nuclee amplasate la capetele cladirii.

In elementele verticale ale structurii pot sa apara unele deformatii (a1ungiri sau scurtari) provocate de:

- diferentele dintre caracteristicile geometrice si mecanice ale sectiunii elementelor supuse la forte axiale;

- variatii de temperatura;

- contractia si curgerea lenta a betonului.

Implicatiile defavorabile ale acestor defecte pot fi diminuate printr-o alcatuire si detaliere a sistemului structurai. In aceasta privinta, se au in vedere urmatoarele masuri:

- introducerea unor imbinari articulate intre elementele structurale orizontale si cele verticale;

- evitarea utilizarii in elementele verticale a unor materiale cu caracteristici diferite;

- protejarea elementelor verticale exterioare impotriva variatiilor de

temperatura, retragerea lor din planul fatadei si asigurarea unei protectii termice (izolarii) corespunzatoare.

Sistemul cu nucleu si stalpi pe contur reprezinta, sub aspectul proiectarii si al tehnologiei de executie, varianta cea mai economica pentru cladiri cu un numar mediu de nivele.

Datorita faptului ca o parte importanta din incarcarile verticale revin stalpilor, in timp ce incarcarile orizontale sunt preluate de nucleu, in peretii acestuia pot sa apara tensiuni importante de intindere. De asemenea, este posibila aparitia unor eforturi de intindere pe talpa fundatiei nucleului, care impun lestarea sau ancorarea acestuia in teren, eventual realizarea unei cutii rigide pentru intreaga infrastructura.

Qdata cu cresterea regimului de inaltime, obtinerea unei rigiditati convenabile la actiuni laterale conduce la supradimensionari, iar sistemul de structura devine ineficient.

Sistemul cu nucleu si cu stalpi legati prin elemente de rigidizare amplasate la partea superioara a unei structuri asigura o buna conlucrare a nucleului cu stalpii si confera sistemului o rigiditate sporita la deplasari laterale. Aceasta solutie se aplica la structuri cu regim ridicat de inaltime. La structurile la care preluarea incarcarilor orizontale este realizata prin nucleu, trebuie acordata o atentie deosebita efectului de torsiune generala care poate induce in restul elementelor structurale eforturi importante. In acest sens, apreciem comportarea buna pe care o au sistemele cu nucleu si cu stalpi legati prin elemente de rigidizare.

Structuri tubulare

Astfel de structuri sunt alcatuite dintr-un ansamblu de pereti dispusi pe contur inchis, rigidizati prin intermediul planseelor. Sub actiunea incarcarilor orizontale, ele au o comportare similara unei console incastrate la baza, peretii fiind supusi unor solicitari similare diafragmelor pline.

Cazul general il constituie turnurile cu pereti perforati din considerente functionale.

Nucleul rigid al unei structuri mixte reprezinta de fapt un tub cu pereti perforati de goluri de usa, amplasat in interiorul cladirii. Un alt exemplu poate fi un tub perforat de goluri de ferestre, amplasat pe exterior, astfel incat fiecare perete poate fi asimilat cu un cadru cu stalpi (montanti) foarte desi si cu rigle (buiandrugi, parapeti) foarte rigide. Astfel de structuri au o comportare foarte buna la actiuni orizontale, generata de capacitatea ridicata de preluare a incarcarilor si de rigiditatea sporita la deplasari laterale.

Structurile pot fi:

- structuri cu tub simplu, la care rezistenta si rigiditatea la actiuni orizontale sunt asigurate de catre tubul alcatuit din ansamblul peretilor perforati ai fatadelor. Se recomanda la cladiri avand pana la 40-60 niveluri;

- structuri cu tub dublu, alcatuite din doua tuburi concentrice: cel exterior este constituit din ansamblul peretilor perforati ai fatadelor, iar cel interior, din diafragmele grupate in nucleul central destinat circulatiei pe verticala, instalatiilor, spatiilor tehnice si de serviciu.

Calculul exact al tuburilor cu pereti perforati se face considerand structura drept un complex de cadre spatiale. Efectuarea acestui calcul este conditionata de folosirea programelor de calcul.

Aspecte tehnico-economice privind proiectarea structurilor

Alegerea si proiectarea structurilor de cladiri si implicit si a planseelor impun:

- o judicioasa corelare intre solutia de arhitectura si solutia optima pentru structura de rezistenta a cladirii;

- cunoasterea aprofundata a cerintelor si conditiilor cerute structurii, respectiv a sectiunilor planseelor din cladire si o corelare corecta intre acestea;

- stapanirea metodelor de calcul si cunoasterea sistemelor constructive de plansee;

- cunoasterea temeinica a caracteristicilor materialelor de constructii, atat sub aspectul reglementarilor in vigoare cat si sub cel al nivelului calitativ real al executiei pe santier;

- orientarea conceptiei structurilor pe solutii .moderne sau noi, care sa raspunda cerintelor economice specifice tarii noastre si in concordanta cu exigentele Uniunii Europene.

La conceperea si proiectarea structurii de rezistenta a cladirii se vor avea in vedere urmatoarele:

- sa se asigure elementelor portante ale cladirii (pereti, cadre, plansee), fiecaruia in parte; conditii de lucru astfel incat sa se realizeze neconditionat stabilitatea si o rezistenta mai buna, pe baza asigurarii conlucrarii intre elemente;

- prin variatiile de rigiditate, solicitarile generale la incarcarile orizontale (vant etc.) sa fie dirijate spre acele elemente care sunt apte de a le prelua;

- conlucrarea spatiala de ansamblu intre elementele structurale ale cladirii trebuie asigurata atat in domeniul de lucru elastic cat si in cel plastic;

- planseele din elemente prefabricate vor fi alcatuite si dimensionate astfel incat sa constituie diafragme orizontale capabile sa distribuie spatial incarcarile orizontale la elementele portante verticale ale cladirii. In cazurile in care nu se poate indeplini aceasta cerinta, se vor lua masuri speciale de asigurare a contravantuirii longitudinale si transversale a elementelor portante verticale;

- planseele din beton armat monolit si monolitizarile planseelor prefabricate (intre elementele prefabricate si intre element si structura verticala) vor trebui astfel alcatuite constructiv incat sa asigure o comportare ductila satisfacatoare, in sensul asigurarii capacitatii necesare de disipare a energiei, in eventualitatea unor actiuni orizontale puternice (cutremur, vant cu viteza mare).

In cazul planseelor din beton armat, pentru obtinerea unei ductilitati corespunzatoare sunt necesare urmatoarele masuri constructive:

- betoane de marci superioare (min. C12/15);

- oteluri ductile, deci cu palier de curgere suficient de intins (OB 38, PC 52);

- procente de armare moderate pentru armatura intinsa, pentru a fi posibile deformatii plastice importante inainte de cedarea betonului comprimat;

- intarirea zonei comprimate a sectiunii, prin armarea ei;

- realizarea unui efect de fretare a betonului zonei comprimate, cu

dispunerea corespunzatoare a etrierilor.

Asigurarea stabilitatii si rezistentei planseelor pentru comportarea lor ca diafragme orizontale rigide la solicitarile din vant sau seism necesita luarea in considerare a urmatoarelor principii de proiectare:

- planseele sa fie pe cat posibil coplanare, prin evitarea inclinarilor pronuntate (acoperisuri, terase) si a variatiilor bruste ale inaltimilor de nivel;

- forma in plan a planseelor trebuie astfel aleasa incat, pe cat posibil, sa se evite concentrari de solicitari datorita unor intranduri, iesinduri, goluri interioare sau altor variatii de sectiuni;

- planseele intermediare care nu se dispun pe toata suprafata in plan a cladirii sunt in general contraindicate;

- rezemarea planseelor sa fie asigurata pe toate laturile si, in special,

pe conturul cladirii;

- asigurarea unui grad cat mai ridicat de rigiditate si monolitizare a planseului, precum si a conlucrarii cu elementele structurii verticale a cladirii;

- pentru plansee cu deschideri mari (peste 6 m) utilizate pentru anumite sali, se recomanda alcatuirea lor din elemente transversale portante solidarizate intre ele si ancorate pe reazeme, astfel incat sa lucreze ca diafragme orizontale cu mare rigiditate;

- se recomanda, in general, ca planseele peste subsol sa se realizeze monolit, pentru a se asigura o rigiditate sporita a intregii infrastructuri.

Referitor la casa scarilor, se mentioneaza urmatoarele:

- integrarea in structura cladirii a acestor elemente spatiale complexe poate avea o influenta favorabila; totodata, intreruperea de catre acestea a continuitatii unor plansee sau pereti portanti poate avea o influenta nefavorabila;

- se recomanda a fi astfel amplasate si alcatuite structural, incat influenta defavorabila a intreruperilor de continuitati ale planseelor sa fie minima;

- trebuie asigurate antiseismic si la incendiu, in sensul garantarii posibilitatilor de utilizare a lor, chiar in cazul avarierii grave a cladirii.

Proiectarea centurilor planseelor necesita cunoasterea functiilor pe care le indeplinesc in cladire. Acestea sunt, in principal, urmatoarele:

- contribuie preponderent la asigurarea conlucrarii planseului cu sistemul portant vertical al cladirii si asigura uniformizarea descarcarilor planseelor;

- in cazul planseelor din elemente prefabricate, au rol determinant pentru asigurarea conlucrarii si rigiditatii elementelor de planseu;

- asigura ancorarea sarpantelor, aticelor si timpanelor la solicitarile din actiunea vantului si seismului;

- contribuie la preluarea eforturilor de intindere pe conturul planseului, solicitari in planul sau datorate incarcarilor orizontale (vant, seism);

- pot avea un rol important in asigurarea stabilitatii si rigiditatii peretilor cladirii.

Structuri din zidarie

9.1. Elemente generale. Clasificare

Cladirile cu structura din pereti portanti de zidarie reprezinta o varianta traditionala de realizare a constructiilor. In prezent, solutia este aplicata pe scara larga. Dintre avantajele pe care le prezinta, cele mai importante sunt:

- conditii ridicate de confort higrotermic (pericol redus de aparitia condensului la peretii exteriori) si acustic;

- posibilitati largi de realizare a cladirilor in plan si de tratare arhitecturala a fatadelor;

- procurarea usoara a materialelor de baza si posibilitatea de executie cu mij loace simple etc.;

Principalele neajunsuri ale cladirilor cu pereti portanti din zidarie constau in:

- posibilitati restranse de industrializare;

- capacitate portanta redusa la actiunea incarcarilor laterale din cutremure;

- durata mare de executie etc.

Interesul pentru cladiri cu structura din zidarie este justificat si prin aparitia unor sisteme structurale noi, in care zidaria este armata in rosturile orizontale, intarita cu samburi si centuri din beton armat, armata cu grile polimerice de inalta densitate si rezistenta prin insertia grilelor in asize sau in tencuiala, obtinandu-se pereti structurali de tip diafragma, cu ductilitate corespunzatoare.

Structurile realizate din zidarie se clasifica:

dupa natura materialelor, in:

- zidarii din piatra naturala;

- zidarii din produse artificiale;

dupa modul de alcatuire, in:

- zidarii simple (nearmate);

- zidarii confinate (prevazute cu samburi si centuri);

- zidarii confinate si armate in rosturile orizontale;

- zidarii cu inima armata.

Dupa modul de dispunere a peretilor structurali din zidarie, structurile pot fi:

- structuri cu pereti desi, tip fagure, cu inaltime de nivel sub 3,2 m, distanta maxima dintre pereti fiind de 5 m, iar aria delimitata, de max. 25 m², (se utilizeaza la cladiri de locuit si administrative);

- structuri cu pereti rari, tip celular, cu inaltimea de nivel sub 4 m, la care distanta dintre peretii structurali este de max. 9 m, iar aria delimitata este < 75 m² (Se utilizeaza la cladiri social.culturale);

- structuri tip sala, la care distantele intre peretii structurali sunt de max. 18 m, iar inaltimea unui nivel, de max. 9 m.

Planseele intermediare partiale ale constructiilor tip sala vor avea structura verticala proprie, independenta de structura care sustine acoperisul constructiei principale.

Dupa natura solicitarilor, la structurile din zidarie se pot intalni: elemente solicitate la compresiune centrica sau excentrica, datorita incarcarilor gravitationale;

- elemente utilizate la acoperirea deschiderilor (arce, bolti, cupole);

- elemente supuse unor actiuni mecanice speciale (de exemplu, ziduri de subsol);

- elemente supuse altor tipuri de solicitari rezultate din actiuni fizice (termice sau chimice ale mediului).

Dupa pozitia lor in constructie, zidariile se clasifica in:

- ziduri portante in infrastructura;

- pereti in elevatie (pereti exteriori, interiori, pereti-timpane, pereti-calcan, atice etc.).

Ca elemente orizontale din zidarie se pot intalni:

- radiere;

- plansee intre etaje;

- arcul butant, element al stilului gotic, care transmite la teren, prin intermediul coloanelor, impingerile orizontale rezultate din actiunea vantului, zapezii etc.

Structurile din zidarie se pot realiza cu diverse forme, acestea separandu-se prin rosturi antiseismice, rosturi de tasare sau de dilatatie.

Ca urmare a capacitatii reduse de preluare a incarcarilor orizontale, zidaria se prevede cu samburi si centuri.

Centurile au urmatoarele roluri:

- transmit direct incarcarile gravitationale de la planseele cladirii la zidurile portante;

- preiau eforturile de intindere sau compresiune ce apar in saiba orizontala datorita fortelor seismice.

Centurile se prevad la nivelul fiecarui planseu si, de asemenea, in pozitii intermediare, la constructii etajate cu pereti rari si la structurile tip sala. Centurile se prevad continue pe lungimea unui perete, alcatuind contururi inchise. Latimea minima a centurii va fi de 25 cm, iar inaltimea minima, de 20 cm.

Stalpisorii se realizeaza dupa executarea zidariei si montarea armaturilor. Sectiunea se stabileste prin calcul, tinand seama de incarcarile verticale si ale fortelor seismice de proiectare. Stalpisorii si centurile se prevad la exterior cu termoizolatie, pentru evitarea puntilor termice. Stalpisorii se prevad la capetele fiecarui perete, la ambele parti ale unui gol cu o suprafata de peste 1,5 m², la colturile de pe canturul constructiei, in lungul peretelui astfel ca distanta dintre acestia sa nu depaseasca 4 m, la intersectiile peretilor, daca cel mai apropiat stalpisor dispus dupa regulile de mai sus, se afla la o distanta mai mare de 1,5 m. Stalpisorii se executa pe toata inaltimea cladirii, iar latura minima a acestora este de 25 cm. Procentul minim de armare este de 1%, pentru zone seismice cu ag 0,20g, si 0,8% pentru zone seismice cu 0,16gag0,08g.

Ochiurile din zidarie incadrate intre samburi si centuri vor avea urmatoarele suprafete maxime:

-12 m² - grad seismic 8;

-18 m² - grad seismic 7;

-24 m² - grad seismic 6.

La cladiri cu H > 9 m (P + 2,3 E), proiectate pentru zone seismice acaracterizate cu a_g0,20g, se vor prevedea buiandrugi din beton armat monolit, spre deosebire de celelalte situatii, in care se admit buiandrugi din beton prefabricat. Lungimea de rezemare a buiandrugilor va fi de 25 cm minimum, iar pentru zone cu grad seismic caracterizate cu ag 0,20g, se va spori aceasta latime de reazem.

Armarea buiandrugilor se face pe baza de calcul de rezistenta, luand in considerare solicitarea simultana a actiunii gravitationale si orizontale.

Deoarece zidariile sunt alcatuite din blocuri si mortar, elemente care lucreaza favorabil la compresiune si defavorabil la intindere, solicitarile la care zidaria rezista in conditii bune sunt: compresiune centrica si compresiune excentrica cu excentricitate mica.

9.2. Proprietatile zidariei

Zidariile sunt materiale compozite ale caror proprietati depind de proprietatile materialelor constitutive si de interactiunea lor, astfel incat produsul final are proprietati diferite de cele ale materialelor componente. Rezistenta caracteristica la compresiune a corpurilor din zidarie se determina conform codului de proiectare a structurilor din zidarie, avand valorile minime prescrise in P100/1/2006. In mod similar, calitatile mortarului vor trebui sa satisfaca prevederile din normativul P100/1/2006.

In timpul solicitarii structurilor din zidarie (pereti, stalpi) la compresiune axiala se pot constata patru stadii de lucru, delimitate in functie de valoarea eforturilor reale, efective. In primul stadiu, N < N_fis (fig. 10) zidaria nu prezinta fisuri. In al doilea stadiu, N = N_fis, apar primele fisuri la unele caramizi, datorate eforturilor de intindere, incovoiere si forfecare. Valoarea incarcarii N_fis depinde de proprietatile mecanice si de deformabilitatea celor doua materiale compozite, ca de altfel si de tehnologia de executie. Fragilitatea zidariei creste odata cu cresterea rigiditatii mortarului si a dimensiunii blocurilor de piatra.

Aparitia unor fisuri in structuri constituie un semnal, fiind necesara urmarirea comportarii in timp sub actiunea incarcarilor.

In al treilea stadiu, distrugerea zidariei are loc din cauza dezvoltarii tensiunilor de intindere si forfecare in caramizi si a flambajului elementelor zvelte din zidarie. Inceputul celui de-al patrulea stadiu - considerat ca stadiu de avariere - se caracterizeaza prin deschiderea continua a fisurilor, chiar daca incarcarea ramane constanta.

Se prezinta cele patru stadii de lucru ale zidariei:

N < N_fis; N < N_rup ;

N= N_fis; N= N_rup .

Factorii care influenteaza rezistenta la rupere a zidariei sunt:

- rezistenta si tipul pietrei;

- rezistenta si tipul mortarului;

- varsta zidariei si durata de incarcare;

- influenta grosimii rosturilor orizontale si a formei pietrei de zidarie;

- influenta lucrabilitatii mortarului;

- influenta tehnologiei de executie.

In functie de directia de actiune a fortei in raport cu rosturile zidariei, se pot deosebi:

- rezistenta la intindere normala, cand forta actioneaza normal pe suprafata rostului;

- rezistenta la forfecare pura, cand forta actioneaza in planul rostului.

- aderenta din incovoiere, rezistenta la intindere din incovoiere.