Construcții din Oțel - An II - 2003 - PDF

RODICA CRIùAN CONSTRUCğII DIN OğEL EDITURA UNIVERSITARĂ 'ION MINCU', 2003 Descriere CIP a Bibliotecii NaĠionale a României CRIùAN, RODICA ConstrucĠii din oĠel / Rodica Criúan – Bucureúti: Editura Universitară „Ion Mincu”, 2003 Bibliogr. ISBN 973-7999-01-0 624.014.2 Coperta 1: Aeroportul Saint Exupéry, Lyon, FranĠa / arh. S. Calatrava (foto R. Criúan, 2003) Tehnoredactare computerizată: arh. Ana Maria Mortu Machetare: ing. Elena Dinu ¤ 2003 Editura Universitară „Ion Mincu” Str. Academiei 18-20, sect.1, Bucureúti, cod 410010 CUPRINS 1. METALUL ÎN CONSTRUCğII: FIER, FONTĂ, OğEL 1 2. OğELUL DE CONSTRUCğII: CLASIFICĂRI, SORTIMENTE 3 3. CARACTERISTICILE OğELULUI 4 4. PROTECğIA LA FOC 6 5. PROTECğIA CONTRA COROZIUNII 9 6. PRODUSE DE BAZĂ DIN OğEL 10 7. PROCEDEE DE ASAMBLARE A ELEMENTELOR DIN OğEL 15 8. CÎTEVA REGULI GENERALE PRIVIND CONSTRUCğIILE DIN OğEL 21 9. ELEMENTE STRUCTURALE 22 10. NODURI ÎNTRE ELEMENTE STRUCTURALE 31 11. CONCEPğIA DE ANSAMBLU A STRUCTURII 38 12. PLANùEE 49 13. SCĂRI 59 14. STRUCTURI DIN OğEL - SINTEZĂ 61 15. PEREğI DE ÎNCHIDERE 66 16. PEREğI DE COMPARTIMENTARE 75 Bibliografie 80 Exemple de construcĠii cu schelet din oĠel 81 CONSTRUCğII DIN OğEL 1. METALUL ÎN CONSTRUCğII. FIER, FONTĂ, OğEL Utilizarea fierului în construcĠii este foarte veche, datând din primul mileniu î.C; era însă produs în cantitate mică úi folosit doar pentru confecĠionarea unor piese de legătură úi de ranforsare. Până la revoluĠia industrială, materialele de construcĠie majore sunt lemnul úi piatra. Metalul (fier forjat sau fontă) are de regulă rol auxiliar úi se foloseúte cu „discreĠie” sub formă de ancoraje, agrafe, tiranĠi, grilaje úi, uneori, stâlpi. Prima construcĠie din fontă datează din a doua jumătate a sec. XVIII; este podul peste Severn la Coalbrookdale, GB (1777), 30 m deschidere. La începutul sec XIX se extinde utilizarea fontei în construcĠii, nu numai la poduri úi apeducte, ci úi sub formă de stâlpi úi grinzi ce formează scheletul unor construcĠii industriale, permiĠând acoperirea unor spaĠii mari cu structuri relativ 1 uúoare úi neinflamabile. Elemente decorative din fontă sunt utilizate din ce în ce mai des, pentru construcĠii curente, ca úi pentru clădiri reprezentative, creând un nou stil arhitectural. Primele utilizări ale fierului ca element structural datează de la mijlocul secolului XIX. Perioada de glorie a construcĠiilor metalice se situează între jumătatea sec. XIX úi primul război mondial, în legătură cu progresul rapid al industriei siderurgice. Sunt puse în valoare calităĠile úi forĠa expresivă a noului mod de a construi: rezistenĠa fierului la întindere este exploatată la realizarea 2 de poduri cu mari deschideri (poduri suspendate pe lanĠuri úi cabluri, poduri cu grinzi chesonate, poduri cu grinzi în zăbrele); greutatea redusă úi ductilitatea fierului au contribuit în arhitectura clădirilor la răspândirea stilului floreal (Liberty). DiferenĠa fizică între fontă úi fier este determinată de conĠinutul în carbon, ce se traduce în caracteristici úi procedee de producere diferite. Fonta este casantă, se toarnă în forme, rezistă bine la compresiune. Fierul este un material dur, maleabil, elastic úi ductil, rezistă bine la întindere; este fasonabil, se înconvoaie, se contractă sau se dilată, dar nu se rupe. Elementul constructiv predilect al fontei este stâlpul; cel al fierului este grinda. Fierul provine din uzine metalurgice; prin laminare3 ia formă de bare, plăci, corniere: devine profil. Tehnica asamblării cu nituiri a facilitat mult exploatarea constructivă a fierului. Progresele în tehnologia fierului oferă mijloace economice de realizare a unei întregi game de clădiri (gări, hale, expoziĠii, sere). Se dezvoltă astfel un tip constructiv úi arhitectural nou ce asociază fierul úi sticla, două materiale produse industrial. Sera este exemplul ce consacră posibilităĠile absolut noi oferite de fier, care joacă în acest caz dublu rol, fizic úi geometric: este structură úi desen, într-o suprafaĠă de sticlă. FiliaĠia începută de seră continuă în timp cu veranda, marchiza, bovindoul, copertina de sticlă. La începutul sec. XIX, înmulĠirea incendiilor ce afectează clădirile din lemn, determină adoptarea sistemului constructiv metalic, în ciuda cheltuielilor suplimentare pe care le implica. Standardizarea4 va permite scăderea costurilor úi scurtarea timpului de execuĠie. După 1850 industria siderurgică oferă constructorilor profile laminate sub formă de table úi profile cu rezistenĠe la întindere úi încovoiere superioare fontei, la preĠuri comparabile. Aceste profile revoluĠionează domeniul construcĠiilor, permiĠând construirea de clădiri-turn, cu schelet metalic din laminate asamblate prin nituire la cald úi pereĠi de umplutură. Noile produse sunt utilizate pentru crearea unor noi tipuri de elemente structurale (grinda mixtă, grinda în zăbrele, grinda chesonată, etc.). OĠelul este rezultatul progresului tehnic în ceea ce priveúte compoziĠia materialului úi modul de producere. Prin reducerea conĠinutului de carbon sub 2% se obĠine un material mai elastic, mai 1 Filatura de bumbac Philip & Lee, Manchester,1801; pavilionul regal de la Brighton - J.Nash, 1818. 2 Podul de la Menai –ğara Galilor (1819-1824), 173 m; podul de la Fribourg (1834), 273 m; podul Brooklyn (1870), cca. 500 m. 3 Procedeu inventat în Anglia, în 1774, odată cu pudlarea (procedeu de îndepărtare a impurităĠilor). 4 Crystal Palace - Joseph Paxton, Londra 1851 - prima manifestare importantă de standardizare (fontă, fier, sticlă). 1 CONSTRUCğII DIN OğEL dur, mai rezistent. Principiul tratării directe a fontei pentru producerea oĠelului s-a descoperit în 1856 în Anglia5. Odată cu extindere utilizării oĠelului, procedeele de asamblare, tehnicile de laminare, modelele de calcul al structurilor, se modifică sensibil. Sudura ia locul niturilor, determinând schimbări în aspectul construcĠiilor. Este epoca în care se naúte o nouă formaĠie profesională: inginerul de structuri úi biroul de proiectare. In prima jumătate a sec. XX utilizarea pe scară largă a oĠelului în construcĠii se mută în SUA; construcĠia de „zgârie-nori” foloseúte oĠelul pentru rezistenĠa sa dar, în general, îl ascunde sub placaje de piatră (v. Empire State Building, Rockefeller Center). Noul mod de a construi, repetând la infinit pe verticală acelaúi tip de etaj cu structură din stâlpi úi grinzi de oĠel6, aduce după sine raĠionalizarea execuĠiei, montajul uscat úi prefabricarea. In Europa anilor '30 Jean Prouvé dă un nou impuls folosirii metalului în construcĠii. Deúi preocupările sale se îndreaptă îndeosebi spre faĠade, grija pentru detaliu, originalitatea în fasonarea oĠelului, conduc la noi reflecĠii arhitecturale privind utilizarea oĠelului. Robert le Ricolais, inginer-artist, contemporan cu Prouvé, realizează sisteme structurale originale, bazate pe cabluri úi Ġevi, ce se înscriu în orizontul de căutări promovat în principal de Buckminster Fuller (cupolele geodezice, ce permit închiderea volumului maxim cu minimum de material). Ca exemple reprezentative pentru arhitectura ultimelor decenii pot fi reĠinute: Centrul naĠional de artă úi cultură George Pompidou, Paris (1971, Renzo Piano, Richard Rogers); Sediul bancar Hongkong (1975, Norman Foster); Institutul lumii arabe, Paris (1988, J. Nouvel, P. Soria, G. Lezenès úi Architecture Studio); Piramida de la Luvru (1989, I. M. Pei, G. Duval, M. Macary), ú.a. 5 Intre 1850 úi 1915 fierul pudlat úi oĠelul sunt utilizate simultan; numai o analizå metalograficå permite determinarea naturii metalului. 6 Tip de construcĠie inventat de William Le Baron Jenney; Home Insurance Building (1884) este considerat primul „zgârie-nori”. 2 CONSTRUCğII DIN OğEL 2. OğELUL DE CONSTRUCğII. CLASIFICĂRI, SORTIMENTE. OĠelul se obĠine din minereul de fier printr-o succesiune de operaĠii ce au ca scop separarea fierului úi apoi transformarea fierului brut în oĠel, prin eliminarea impurităĠilor úi reducerea conĠinutului de carbon. OĠelul este deci un aliaj al fierului cu alte elemente, principalul fiind carbonul. FuncĠie de conĠinutul în carbon, oĠelul (< 2% carbon) se deosebeúte de fontă. Un oĠel este definit prin caracteristicile sale fizice, mecanice úi chimice. In construcĠiile metalice se utilizează oĠeluri normate, respectiv oĠeluri ale căror caracteristici sunt definite prin valori minime sau maxime prescrise de norme1 (valorile admise pentru calcule). Există mai multe tipuri de clasificări ale oĠelurilor, funcĠie de compoziĠia chimică, funcĠie de caracteristicile mecanice de rezistenĠă la întindere sau funcĠie de limita de elasticitate. Clasificarea curent utilizată în construcĠiile metalice deosebeúte oĠelurile funcĠie de rezistenĠa la întindere (marca oĠelului) úi identifică 2 categorii principale: OL 37 = oĠel normal pentru construcĠii metalice, denumit úi oĠel „moale” sau „ductil” (echivalent Fe 360 / Euronorm) OL 52 = oĠel de înaltă rezistenĠă pentru construcĠii metalice (echiv. Fe 510 / Euronorm) In cadrul fiecăreia dintre categorii (mărci) standardele definesc mai multe clase de calitate. Alegerea oĠelului este determinată de considerente de ordin tehnic (rezistenĠă, deformabilitate) úi economic. Dincolo de aceste categorii, pot fi obĠinute úi alte tipuri de oĠeluri - cu caracteristici speciale. OğELURILE SPECIALE x OĠeluri inoxidabile. Au rezistenĠă chimică mult superioară oĠelului obiúnuit, datorită alierii cu alte metale cum ar fi crom, vanadium, molibden sau cupru; oĠel de duritate mare, este sudabil cu anumite precauĠii; datorită costului ridicat nu se utilizează de regulă la schelete metalice. x OĠeluri patinabile. Create în jur de 1930 de US Steel sub numele de Cor-Ten, se fabrică în Europa din anii '60. ConĠin mai puĠin crom úi nichel decât oĠelul normal, dar au caracteristici mecanice asemănătoare. In anumite condiĠii de expunere, au proprietatea de a se acoperi progresiv cu un strat protector de oxizi care le conferă o bună rezistenĠă la coroziune; formarea stratului protector este însoĠită de o uúoară reducere a grosimii metalului fără consecinĠe asupra dimensionării. Nu rezistă în atmosferă puternic corozivă (zone industriale, zone marine) unde este necesară o protecĠie suplimentară. x OĠeluri refractare. Se utilizează pentru confecĠionarea unor elemente supuse la temperaturi înalte (tuburi de cazane, rezervoare, furnale, etc.); este un aliaj cu crom-nichel sau crom- molibden. x OĠeluri speciale de înaltă rezistenĠă. Mai dificil de sudat datorită conĠinutului ridicat de carbon, sunt utilizate în cazuri particulare, cum ar fi precomprimarea, aparate de reazem, etc. 1 Norme naĠionale (STAS) úi norme europene (EURONORM) 3 CONSTRUCğII DIN OğEL 3. CARACTERISTICILE OğELULUI Caracteristicile oĠelului sunt cunoscute cu mare precizie, ceea ce permite calcule de rezistenĠă precise, facilitând dimensionarea úi permiĠând reducerea coeficienĠilor de siguranĠă. OĠelul este un material izotrop putând fi solicitat la fel în toate direcĠiile, atât la întindere cât úi la compresiune. FaĠă de alte materiale - cum ar fi lemnul, betonul sau zidăria - capacităĠile de rezistenĠă specifice construcĠiilor metalice permit folosirea unei cantităĠi reduse de material. Acesta fiind însă relativ scump, se utilizează elemente cu grosimi mici úi cu forme adecvate condiĠiilor cerute. Pe de altă parte, manopera fiind oneroasă, costul construcĠiei depinde într-o măsură importantă de timpul de fabricare úi montaj. ¾ CARACTERISTICI FIZICE Greutatea specifică: x oĠel: 7.85 - 8.00 kN/m3 x aliaj uúor de aluminiu: 2.70 kN/m3 Coeficientul de dilatare termică2: x oĠel: 10 x [10-6 / 0C] x aluminiu: 24 x [10-6 / 0C] Dilatarea datorată variaĠiilor de temperatură poate avea două efecte, posibil a se combina: - variaĠii dimensionale sub efectul temperaturii; - variaĠii ale eforturilor de compresiune: dacă o bară de oĠel este astfel fixată la capete încât alungirea este împiedicată, creúterea temperaturii determină eforturi suplimentare de compresiune. ¾ CARACTERISTICI MECANICE Maleabilitatea este proprietatea anumitor metale de a se deforma la rece sau la cald fără a se rupe úi de a pute fi trase în foi subĠiri; aurul, argintul, cuprul, fierul sunt metale maleabile. OĠelul utilizat în schelete structurale poate avea o deformaĠie de 20% înainte de rupere. Elasticitatea este proprietatea corpurilor care, deformându-se sub acĠiunea unei forĠe, tind să revină la forma iniĠială atunci când forĠa încetează să mai acĠioneze; 'modulul de elasticitate' (E) al unui material exprimă raportul între efortul unitar úi deformaĠia specifică; E oĠel = 210 kN/mm2; 'limita elastică' reprezintă efortul unitar corespunzător alungirii elastice maxime. Atâta timp cît nu sunt supuse unor solicitări prea puternice, oĠelurile au un comportament elastic. Calitatea oĠelului nu influenĠează elasticitatea, ci numai limita elastică. Plasticitatea este aptitudinea anumitor metale care, deformându-se sub acĠiunea unei forĠe, îúi conservă deformaĠia atunci când forĠa încetează să mai acĠioneze; dacă este solicitat până la limita sa elastică sau dincolo de ea, un oĠel are comportare plastică. Datorită plasticităĠii sale, oĠelul poate fi deformat la rece pentru confecĠionarea de table cutate sau pentru crearea unei contrasăgeĠi la elemente încovoiate. Duritatea este aptitudinea metalelor de a rezista la penetrare; poate fi ameliorată prin călire; este mai mult sau mai puĠin proporĠională cu rezistenĠa la întindere; poartă diverse denumiri funcĠie de aparatul de încercări cu care s-a determinat (duritate Brinell, Vickers, etc) Tenacitatea este proprietatea unui metal de a putea suporta simultan, fără daune, eforturi 2 0 Creúterea relativă a lungimii pentru o creútere de temperatură de 1 C. 4 CONSTRUCğII DIN OğEL ridicate úi alungiri mari. Fragilitatea este caracteristica unui metal numit „casant”, de a se putea rupe brutal în anumite condiĠii, cum ar fi temperaturile scăzute; încercările de rezistenĠă la úoc permit caracterizarea fragilităĠii unui metal. Fonta este fragilă; oĠelurile de construcĠii, nu. Sudabilitatea este proprietatea pe care o posedă anumite metale de a se uni între ele atunci când sunt aduse la temperatura de fuziune. Sudabilitatea unui metal este o noĠiune calitativă ce poate fi apreciată cu ajutorul valorilor de rezistenĠă la úoc. Coroziunea este degradarea (lentă) a pieselor metalice în mediu umed úi în prezenĠa oxigenului; este un fenomen electrochimic ce conduce la formarea de oxizi. Aliajele uúoare úi anumite sortimente de oĠel sunt fie mai rezistente (oĠelurile inoxidabile) fie autoprotejate printr-o peliculă etanúă (oĠeluri galvanizate, oĠeluri patinabile). SuprafeĠele metalice pot fi totodată protejate eficient prin aplicare de vopsitorii sau diverse straturi protectoare. ALIAJELE OğELULUI pot combina diverse elemente cu oĠelul, influenĠându-i caracteristicile. Asocierea cu materiale în general mai costisitoare ca oĠelul creúte preĠul produsului, limitând astfel, din considerente economice, domeniile de aplicare. Aceste elemente pot fi: Aluminiu: ameliorează rezistenĠa la calaminare (caracteristica metalului ca, puternic încălzit, să se acopere de oxid) dar influenĠează negativ sudabilitatea. Azot: creúte limita de elasticitate, dar face oĠelul mai sensibil la îmbătrânire. Crom: creúte rezistenĠa la temperaturi înalte; de la 12% în sus, reducere coroziunea. Crom + nichel: oĠelul inoxidabil; rezistenĠă chimică mult superioară oĠelului obiúnuit. Cupru: creúte rezistenĠa la coroziune. Magneziu: are a aceleaúi proprietăĠi ca úi cromul úi nichelul; de la 12% în sus creúte rezistenĠa la uzură. Molibden: creúte rezistenĠa la temperaturi înalte, cu ameliorarea rezistenĠei chimice. Nichel: creúte limita aparentă de elasticitate. Fosfor: face oĠelul mai casant. Siliciu: creúte limita aparentă de elasticitate úi rezistenĠa la întindere. Vanadiu: creúte rezistenĠa la temperaturi înalte. 5 CONSTRUCğII DIN OğEL 4. PROTECğIA LA FOC OĠelul are o comportare foarte proastă la foc; pe de o parte, îúi pierde rapid rezistenĠa la 0 temperaturi relativ joase (400 - 600 C); pe de altă parte, prin conductivitatea sa termică mare, riscă să propage incendiul. Pentru creúterea rezistenĠei la foc a elementelor din oĠel, acestea trebuie protejate cu materiale 1 2 care au capacitate termică mare sau conductivitate termică mică: ¾ BETON: utilizarea sa este interesantă atunci când el poate participa la rezistenĠa statică a elementului structural, ca în cazul stâlpilor sau grinzilor mixte, sau când se are în vedere o protecĠie cu bună rezistenĠă la úocuri mecanice; punerea în operă se face prin turnare. ¾ IPSOS: este o protecĠie excelentă, relativ rezistentă; în stare uscată ipsosul conĠine cca. 20% apă constitutivă; pentru evaporarea acestei ape úi transformarea ipsosului în sulfat de calciu anhidru este necesară o energie considerabilă; punerea în operă se face prin tencuire sau prin montare de plăci. ¾ FIBRO-CIMENT úi VATĂ MINERALĂ: sunt produse cu coeficient de transmisie termică mic (termoizolatoare) care pot fi puse în operă singure sau asociate cu un liant (ipsos, var sau ciment); plăcile sunt fixate cu agrafe, cu úuruburi, sau lipite. ¾ VERMICULITA: este o rocă expandată din familia micelor; sub acĠiunea căldurii suferă o puternică creútere în volum (până la de 30 de ori volumul său), închizând aer, de unde capacitatea sa termoizolantă. ¾ PERLIT: este o rocă vulcanică expandată, utilizată la executarea unor tencuieli termoizolante ¾ ARGILĂ EXPANDATĂ: uúoară úi inertă, induce solicitări nesemnificative în profilele metalice care o suportă; este foarte slab conducătoare de căldură úi rezistă la temperaturi de 12000 C; se foloseúte la umplerea spaĠiului dintre profilul de oĠel úi un finisaj exterior din tablă, ipsos sau alt material. ¾ LEMN: deúi poate părea surprinzător a proteja un material incombustibil cu unul combustibil ca lemnul, bunele calităĠi termoizolante ale acestuia reduc creúterea sarcinii termice în elementele de oĠel. ¾ TENCUIELI APLICATE CU PISTOLUL: cele folosite în prezent sunt constituite din vermiculită, perlită, fibre minerale, etc. + liant (frecvent ciment sau ipsos). ¾ VOPSELE INTUMESCENTE (TERMOSPUMANTE): sunt produse care, sub influenĠa căldurii, se umflă úi se transformă într-o spumă cu grosime de câteva zeci de ori mai mare ca grosimea iniĠială; această spumă formează izolaĠia termică. 1 Proprietate termofizică a unui material, care desemnează cantitatea de căldură necesară pentru creúterea temperaturii unităĠii de volum cu 1 grad. (conf. GIVONI, B, L'homme, l'architecture et le climat. Edition du Moniteur, Paris 1978) 2 Proprietate termofizică a unui material determinată de fluxul de căldură care, în unitatea de timp, traversează o unitate de grosime a unei unităĠi de suprafaĠă dintr-un material supus unei diferenĠe de temperatură egală cu unitatea. (conf. GIVONI, B, L'homme, l'architecture et le climat. Edition du Moniteur, Paris 1978). Materialele termoizolante au conductivitate termică mică. 6 CONSTRUCğII DIN OğEL ProtecĠia la foc a stâlpilor de oĠel ProtecĠia la foc a grinzilor din oĠel a) Cu beton a) Cu beton b) Cu plăci de ipsos + finisaj b) Cu plăci de ipsos c) Cu tencuială ipsos pe reĠea + finisaj c) Cu plăci de ipsos + lemn, la planúeu de d) Cu argilă expandată + tablă obiúnuită lemn pe grinzi metalice: 1 - grindă de sau inoxidabilă oĠel; 2 - traverse la fiecare 50 cm; 3 - rigle la fiecare 50 cm; 4 - plăci de ipsos de 2.5, 4 sau 6 cm (funcĠie de rezistenĠa la foc cerută); 5 - riglă dublă la fiecare 50 cm Durata de rezistenĠă la foc (t) a stâlpilor úi planúeelor din oĠel, cu diverse protecĠii Stâlpi Planúee profile H, h = 260 mm grinzi profile I, h = 300 mm Beton Tencuială ipsos Plăci ipsos Tencuială ipsos Plăci de ipsos t = 172 min. t = 73 min. t = 107 min. t = 63 min. t = 87 min. Argilă expandată Tencuială Plăci vermiculită Tencuială Plăci vermiculită +tablă inox vermiculită-ipsos vermiculită-ipsos 3 mm t = 116 min. t = 117 min. t = 97 min. t = 84 min. t = 247 min. 7 CONSTRUCğII DIN OğEL Problema protecĠiei contra incendiilor trebuie avută în vedere de la începutul proiectării, fiind, înainte de toate, o problemă de concepĠie. Se cunoaúte din experienĠă faptul că o structură metalică îúi reduce rezistenĠa sub efectul căldurii; după ce temperatura oĠelului atinge 450 - 5000 această rezistenĠă devine insuficientă úi există riscul prăbuúirii instantanee a structurii. Împotriva acestui pericol se poate acĠiona, în principiu, pe două căi, ce pot fi combinate între ele sau nu. Cea mai simplă soluĠie este, evident, reducerea riscului de producere a incendiului, respectiv eliminarea materialelor inflamabile sau care degajă fum nociv sau coroziv (cazul materialelor plastice); astfel se reduce sarcina termică úi pericolul de fum. Izolarea componentelor vitale ale structurii cu o protecĠie pasivă constituită din îmbrăcarea cu un material ignifug úi izolant (de tipul celor arătate anterior), ca úi realizarea unui sistem de protecĠie activă, ce presupune prevederea unei instalaĠii automate de stropire a structurii, constituie o altă categorie de măsuri de avut în vedere. Măsurile de protecĠie pasivă úi activă, alături de caracteristici cum ar fi sistemul de alarmă, timpul necesar pentru intervenĠie, compartimentările (v. riscul de propagare a incendiului), numărul de etaje úi accesibilitatea, definesc riscul potenĠial de incendiu efectiv care, în ultimă instanĠă, determină vulnerabilitatea clădirii în raport cu riscul de incendiu. In multe cazuri structura metalică poate rămâne aparentă, deci neîmbrăcată în alte materiale, pe baza determinării riscului de incendiu efectiv sau prin realizarea unei protecĠii active. 8 CONSTRUCğII DIN OğEL 5. PROTECğIA CONTRA COROZIUNII Elementele din oĠel trebuie protejate pentru prevenirea coroziunii, datorată în principal umidităĠii aerului, îndeosebi atunci când aceasta depăúeúte 60%. FuncĠie de agresivitatea atmosferică úi durata de viaĠă preconizată pentru construcĠie, această protecĠie va fi mai mult sau mai puĠin severă. PRINCIPII DE BAZĂ: CurăĠarea suprafeĠei Se realizează de regulă prin sablare, cu grad diferit de acurateĠe (sablare semi-îngrijită, îngrijită - cazul curent, sau 'la alb') funcĠie de exigenĠele specifice fiecărui caz în parte; simpla periere nu este în general suficientă pentru a îndepărta calamina de pe profilele laminate. Straturile de bază (grund) Imediat după sablare se aplică în mod curent unul din următoarele produse, în 1 - 2 straturi: - miniu de plumb (rareori folosit astăzi) - fosfat sau silicat de zinc - pudră de zinc (aplicată ca vopsitorie din 1 sau 2 componente) Două straturi de bază fără tratament ulterior permit obĠinerea unei protecĠii suficiente pentru elemente constructive aflate la adăpost de umiditate úi de climatul exterior. Straturile de finisare Se aplică pentru creúterea rezistenĠei la coroziune (în medii cu agresivitate crescută) sau din raĠiuni estetice; trebuie aplicate imediat după aplicarea grundului, acesta putându-se altera înaintea vopsirii definitive. Vopseaua de finisare trebuie să fie compatibilă cu stratul suport. ALTE MIJLOACE DE PROTECğIE: Zincarea Tencuielile bituminoase OĠelurile inoxidabile OĠelurile patinabile 9 CONSTRUCğII DIN OğEL 6. PRODUSE DE BAZĂ DIN OğEL Plecând de la semi-produse (lingouri, blum-uri, muluri, etc) industria siderurgică oferă patru tipuri de produse de bază (semi-finite) din oĠel, ce diferă funcĠie de procedeul de fabricaĠie. 1. OğELURI LAMINATE Constituie principalele produse folosite în construcĠiile metalice. Laminarea se efectuează plecând de la semi-produse (lingouri) reîncălzite în cuptoare electrice (laminare la cald). După o primă fază de subĠiere, metalul este strivit progresiv între doi sau mai mulĠi cilindri de fontă sau oĠel, cu sensuri contrare de rotire. Se utilizează cilindri canelaĠi pentru profile úi cilindri plaĠi pentru table. Marea majoritate a produselor folosite la structuri metalice sunt oĠeluri laminate la cald. O parte importantă a tablelor laminate la cald este ulterior laminată la rece pentru reducerea grosimii; se obĠin table subĠiri (0.3 - 3 mm). Laminarea la rece este utilizată în principal pentru fasonarea tablelor subĠiri úi obĠinerea de profile cu pereĠi subĠiri. OĠelurile laminate au caracteristici standardizate (la nivel naĠional - STAS; la nivel european - EURONORM) 2. OğELURI TRASE sau TREFILATE Prin tragere sau trefilare (la cald sau la rece) un produs laminat este adus la o secĠiune mai mică úi la o lungime mai mare. Procedeul este utilizat în special pentru confecĠionarea barelor de armătură úi a cablurilor din oĠel, întrucât permite ameliorarea rezistenĠei la întindere a oĠelului. 3. OğELURI TURNATE Prin turnare în forme refractare se pot obĠine piese de forme complexe, dificil de realizat prin sudură. Procedeul nu este economic decât în măsura în care costul tiparului poate fi amortizat printr-o serie mare de piese identice. Pentru o mai mare precizie a pieselor, o mai bună calitate a suprafeĠelor sau pentru realizarea de filete pentru asamblare, piesele turnate pot fi uzinate. 4. OğELURI FORJATE Prin fasonare la cald cu ajutorul unor prese hidraulice de mare putere, se obĠin piese pline (stâlpi, plăci de bază) de mari dimensiuni. PRODUSE UZINATE Plecând de la laminate de serie sau de la oĠeluri turnate, este posibilă producerea unor piese prin uzinare. Pot fi astfel realizate: găuri, filete, crestături sau decupaje de mare precizie, precum úi profile obĠinute prin formare la rece úi/sau sudarea de produse plate (table). Uzinarea (ca úi turnarea) este economică numai atunci când cantitatea de piese identice este mare. 10 CONSTRUCğII DIN OğEL PRODUSE LAMINATE Simbol STAS: I OğEL , In Europa se folosesc profile cu următoarele simboluri: IPN - cu profil normal IPE - cu profil european IPER - cu aripi ranforsate; înălĠimi 140 - 600 mm 1 ÎnălĠimile profilelor standardizate în România (h) variază între 80 úi 400 mm [înălĠimile profilelor europene ajung la 600 mm]; lăĠimile (b) sunt cuprinse între 42 úi 155 mm; grosimea „inimii” (d) este cca. 1/10 din lăĠimea profilului (b). Lungimi (l): 6 - 12 m. Exemplu de notare pe desen: I 40...1250 (pentru h = 400 mm; l = 1250 mm) Utilizare: grinzi; stâlpi cu încărcări reduse. Nu există profile standardizate în România. In Europa se folosesc profile OğEL H standardizate din această categorie, cu următoarele simboluri: - HEA - cu aripi uúoare - HEB - cu aripi normale - HEM - cu aripi groase - HHD - cu aripi foarte groase Până la profile de 300 mm, înălĠimea este egală cu lăĠimea tălpii; peste 300 mm, lăĠimea nu depăúeúte 300 mm indiferent de înălĠimea profilului care poate ajunge până la 1000 mm. Utilizare: grinzi încovoiate úi stâlpi comprimaĠi; profilelele HHD sunt utilizate în principal ca stâlpi. Simbol STAS: U OğEL U In Europa se folosesc profile cu următoarele simboluri: - UPN - profile normale cu margini înclinate - UAP - profile cu margini paralele 2 Dimensiuni curente: înălĠimile profilelor standardizate în România (h) variază între 65 úi 300 mm, pentru lăĠimi (b) cuprinse între 42 úi 100 mm; grosimea 'inimii' (d) variază între 5 úi 10 mm. Lungimi (l): 6 - 12 m. Exemplu de notare pe desen: U 30...1250 (pentru h = 300 mm; l = 1250 mm) Utilizare: grinzi de bordaj, grinzi úi stâlpi dubli, diagonale de contravântuire. Simbol STAS: T OğEL T 3 Dimensiuni curente: înălĠimile profilelor standardizate în România (h) variază între 20 úi 50 mm; (a) = (h); grosimea (g = t = r) variază între 3 úi 6 mm. Lungimi (l): 4 - 8 m. Exemplu de notare pe desen: T2...1250 (pentru h = 20 mm; l = 1250 mm) 1 STAS 565 -80 2 STAS 564 -80 3 STAS 566 -68 11 CONSTRUCğII DIN OğEL OğEL CORNIER CU Simbol STAS: L ARIPI EGALE 4 Pentru profilele standardizate în România , lăĠimea aripilor (a) variază de la 20 la 160 mm; grosimile (g) variază de la 3 - 4 mm (la profilele mici), până la 14 - 16 mm (la profilele cele mai mari). Lungimi (l): 4 - 12 m. Exemplu de notare pe desen: L 20 x 20 x 3...425 (pentru a = 20 mm; g = 3 mm; l = 425 mm) OğEL CORNIER CU Simbol STAS: LL ARIPI NEEGALE 5 Pentru profilele standardizate în România , lăĠimile aripilor sunt 80 - 100 mm latura lungă (a) úi 65 - 75 mm latura scurtă (b); grosimile (g) sunt 8 - 9 mm. Lungimi (l): 4 - 12 m. Exemplu de notare pe desen: LL 60 x 40 x 5...675 (pentru a = 60 mm; b = 40 mm; g = 5 mm; l = 675 mm) OğEL PĂTRAT 6 Latura secĠiunii (a) variază între 8 úi 60 mm. Lungimi (l): 2 - 6 m Exemplu de notare pe desen: 25...2000 (pentru a = 25 mm; l = 2000 mm) OğEL ROTUND 7 Diametrul (d) variază între 10 úi 150 mm. Lungimi (l): 2 - 6 m Exemplu de notare pe desen: 20...5000 (pentru d = 20 mm; l = 5000 mm) ğEVI Diametrul exterior (D) variază între 25 úi 377 mm; grosimea peretelui (t) variază 8 între 3 úi 22 mm. Lungimi (l): 4 - 12.5 m Exemplu de notare pe desen: ğeavă 60 x 6...7520 (pentru D = 60 mm; t = 6 mm; l = 7520 mm) 4 STAS 424 -80 5 STAS 425 -80 6 STAS 334 -80 7 STAS 333 -80 8 STAS 404 / 2 -80 12 CONSTRUCğII DIN OğEL ğEVI PĂTRATE Latura (a) variază între 20 úi 42 mm; grosimea peretelui (g) variază între 1 - 1.5 9 mm úi 2.5 mm. Lungimi (l): 3 - 7 m Exemplu de notare pe desen: ğeavă pătrată 60 x 6...700 (pentru a = 60 mm; g = 6 mm; l = 700 mm) ğEVI DREPTUNGHIULARE Latura mare (a) are 30, 40, 50 mm sau 106 mm; latura mică (b) are 18, 20, 25, 30, 40 mm sau 60 mm; grosimea peretelui (g) variază între 2 úi 3.5 mm, până la 6-9 mm în cazul Ġevilor de 106x60. ğevile până la 50x40 se execută prin tragere la 10 rece. ğevile 106x60 se execută prin laminare la cald. Lungimi (l): 3 - 7 m Exemplu de notare pe desen: ğeavă dreptunghiulară 50 x 40 x 3.5...700 (pentru a = 50 mm; b = 40 mm; g = 3.5 mm; l = 700 mm) BANDĂ DE OğEL 11 a = 20 - 370 mm; b = 2 - 5 mm Livrare sub formă de rulouri de 18 - 100 kg. Exemplu de notare pe desen: 50 x 3...120 (pentru a = 50 mm; b = 3 mm; l = 120 mm) OğEL LAT 12 a = 20 - 150 mm; b = 5 - 50 mm Lungimi (l): 3 - 12 m Exemplu de notare pe desen: 80 x 16...120 (pentru a = 80 mm; b = 16 mm; l = 120 mm) PLATBANDĂ Se realizează (la noi) prin tăiere din tablă a = 160 - 600 mm; b = 6 - 40 mm Exemplu de notare pe desen: 160 x 10...175 (pentru a = 160 mm; b = 10 mm; l = 175 mm) TABLĂ GROASĂ 13 Grosimi: 3 - 150 mm; lăĠimi: 1 - 4 m. Lungimi (l): 4 - 12 m Exemplu de notare pe desen: 15 x 1430...560 (pentru grosime = 15 mm; lăĠime = 1430 mm; lungime = 560 mm) 9 STAS 6086 -70 10 STAS 6086 -70 11 STAS 908 -80 12 STAS 395 -80 13 STAS 437 -80 13 CONSTRUCğII DIN OğEL TABLĂ STRIATĂ Simbol STAS: TS Grosimi (a): 4 - 10 mm; lăĠimi: 700 - 1500 14 mm Lungimi (l): 4 - 12 m Exemplu de notare pe desen: TS 7 x 500 x 4000 (pentru grosime = 7 mm; lăĠime = 500 mm; lungime = 4000 mm) TABLĂ ONDULATĂ Grosimi (t): 0.75 - 1.5 mm; înălĠimea ondulelor (a): 20 - 40 mm; lăĠime totală (c): cca. 800 - 15 850 mm Lungimi (l): 2 m Exemplu de notare pe desen: TO 100 x 3 x 1.0...2000 (pentru b = 100 mm; a = 3 mm; d = 1.0 mm; l = 2000 mm) - TIP 35/187.5 [unde 35 = a; 187.5 = b] PROFILE DIN TABLĂ CUTATĂ - TIP 60/200 - TIP 60/125 Grosimea tablei (t): 0.75 = 1.50 mm. LăĠimi (B): 750; 600; 500 mm. Lungimi (l): până la 6 m; la comandă. Exemplu de notare pe desen: TC 35/187.5/1.0/750 - 2500 (pentru a = 35 mm; b = 187.5 mm; t = 1.0 mm; B = 750 mm; l = 2500 mm) PRODUSE DIN TABLĂ SUBğIRE FORMATE LA RECE BARE CU PEREğI SUBğIRI Forma profilelor poate fi realizată prin laminare la rece SecĠiuni simple sau prin presare la rece. O caracteristică a profilelor formate la rece este grosimea constantă a pereĠilor. La profilele produse prin laminare la rece grosimea este în general 0.4 - 8.0 mm; la cele produse prin presare la rece grosimea poate să ajungă până la 20 mm. PLĂCI PROFILATE SecĠiuni compuse 14 STAS 3480 -80 15 STAS 2029 -68 14 CONSTRUCğII DIN OğEL 7. PROCEDEE DE ASAMBLARE A ELEMENTELOR DIN OğEL ConstrucĠiile metalice sunt realizate din elemente prefabricate (ferme, stâlpi, grinzi, contravântuiri, etc) asamblate între ele; acestea sunt, la rândul lor, confecĠionate prin asamblarea produselor laminate (profile, table, etc...). In construcĠiile metalice se folosesc două mari categorii de asamblări: mecanice: cu „tije” (nituri, buloane) coezive: prin sudare sau prin încleiere FuncĠie de scopul urmărit, se disting următoarele tipuri de îmbinări: prinderi în atelier (fixarea unor piese de alte piese, de ex. prinderea unei console de stâlp) înnădiri (la confecĠionarea unor elemente a căror lungime depăúeúte lungimile de livrare a laminatelor) solidarizări (la elemente realizate din mai multe profile laminate, de ex. îmbinarea talpă - inimă la o grindă I din platbande) La elementele cu lungimi relativ mici (sub 20 m), îmbinările se pot executa în atelier. Elementele cu lungimi mari, care nu pot fi manipulate úi transportate la gabaritul final, se execută în atelier pe tronsoane; acestea sunt ulterior asamblate între ele pe úantier. Principalele procedee de asamblare au următoarele domenii preferenĠiale de utilizare: Îmbinările cu nituri sunt recomandate pentru: - prinderi de atelier - înnădiri - solidarizări (în prezent de regulă înlocuite cu suduri) Îmbinări cu suduri - solidarizări - prinderi úi înnădiri de atelier - prinderi úi înnădiri de úantier Îmbinări cu buloane - prinderi de úantier - înnădiri de úantier - îmbinări demontabile BULOANELE Sunt fabricate din tije de oĠel rotund úi cuprind un cap (hexagonal), un corp (parĠial filetat) úi o piuliĠă mobilă (tot hexagonală). Bulonarea permite montarea fără probleme a unor elemente în prealabil tratate anticoroziv; constituie procedeul cel mai judicios a fi utilizat pentru asamblările realizate în úantier. Există două tipuri de buloane, funcĠie de calitatea oĠelului: buloane (úuruburi) obiúnuite: asigură transmiterea eforturilor de la o piesă la alta a îmbinării prin întinderea tijei sau prin contactul dintre tija úurubului úi peretele găurii; buloane (úuruburi) de înaltă rezistenĠă pretensionate (IP): asigură transmiterea eforturilor de la o piesă la alta a îmbinării prin frecarea care apare între piese datorită strângerii excesive a piuliĠei (cu chei dinamometrice sau cu aparate pneumatice) 15 CONSTRUCğII DIN OğEL NITURILE Au fost mult timp singurul procedeu de asamblare în construcĠiile metalice; în prezent utilizarea lor este foarte redusă, datorită timpului lung úi mijloacelor de punere în operă complicate. Nitul 'clasic' este alcătuit dintr-o tijă cilindrică din oĠel moale, având un cap în formă de calotă sferică (cap de aúezare). Încălzit în prealabil la cca. 10000 C, nitul este introdus în găurile prevăzute în piesele de asamblat úi presat cu ajutorul unei prese hidraulice sau al unui ciocan pneumatic. Prin această operaĠie materialul plastic umple gaura, formând totodată cel de-al doilea cap; capul existent este presat cu o piesă numită „contrabuterolă”, în timp ce noul cap se formează cu ajutorul unei piese similare, numită 'buterolă'. Prin răcire, nitul se contractă úi strânge pachetul de piese. In afara niturilor cu cap semirotund, la îmbinarea laminatelor din oĠel se mai folosesc nituri cu cap înecat sau semiînecat, nituri cu cap tronconic, nituri cu cap înalt, etc La îmbinarea profilelor din table subĠiri se folosesc: nituri obiúnuite (cu cap semirotund, plat, tronconic, semiînecat), fasonate la rece nituri speciale: nituri tubulare, nituri filetate, nituri-piuliĠă, nituri fasonate cu exploziv. NITURILE AMERICANE Importate din SUA în Europa către 1970, sunt fabricate din oĠel úi au aceleaúi caracteristici ca úi buloanele de înaltă rezistenĠă. După ce a fost aúezat în gaura care traversează piesele de îmbinat, nitul este fixat cu ajutorul unui pistol hidraulic. FaĠă de nituirea tradiĠională, operaĠiunea se efectuează la rece úi necesită accesul ciocanului pneumatic doar dintr-o parte. SUDURA Sudarea se realizează prin topirea locală a oĠelului, cu sau fără aport de metal, în aúa fel încât să fie reconstituită continuitatea materialului, importantă pentru transmiterea eforturilor. Această 'continuitate reconstituită' este vizibilă pe suprafaĠa structurilor aparente. Sudurile efectuate pe úantier trebuie protejate contra coroziunii. Tratamentul termic suferit de material provoacă deformaĠii, contracĠii interne úi modificări ale structurii cristaline a oĠelului, deci modificări ale proprietăĠilor sale mecanice. Nu toate oĠelurile sunt sudabile; sudabilitatea depinde de compoziĠia chimică a aliajului: cu cît oĠelul conĠine mai mult carbon, cu atât sudarea devine mai delicată. Procedeul curent folosit în construcĠiile metalice este „sudura cu arc” ce utilizează căldura produsă de un arc electric pentru a aduce oĠelul la temperatura sa de topire. Metalul suplimentar, care se prezintă sub forma unei baghete (electrod), se topeúte sub efectul căldurii úi umple golul dintre piesele de sudat. Îmbinările sudate se execută cu cusături în capete (în adâncime) sau de colĠ (în relief). PermiĠând asocierea pieselor fără discontinuităĠi, sudura reprezintă un mod ideal de asamblare; obĠinerea unor rezultate bune depinde însă esenĠial de asigurarea unor condiĠii de execuĠie foarte precise. Controlul calităĠii sudurilor se poate face prin mai multe procedee nedistructive, cu grad diferit de precizie (control vizual, cu spray-uri, cu ultrasunete, cu raze x sau gama). Din punct de vedere economic, este preferabil a se evita - pe cît posibil - realizarea de suduri în úantier; sudurile se vor concentra astfel la un număr limitat de piese realizate în atelier. ADEZIVII Încleierea constituie un mod de asamblare recent, în plină dezvoltare; teoretic este un mod de asamblare ideal, care nu necesită lucrări ample de pregătire a pieselor úi nu produce deformaĠii în cursul executării. Există numeroase tipuri de adezivi, în general din două componente. Încleierea este încă puĠin folosită în construcĠiile metalice, lipsind verificarea practică în timp. 16 CONSTRUCğII DIN OğEL 17 CONSTRUCğII DIN OğEL 18 CONSTRUCğII DIN OğEL 19 CONSTRUCğII DIN OğEL 20 CONSTRUCğII DIN OğEL 8. CÂTEVA REGULI GENERALE PRIVIND CONSTRUCğIILE DIN OğEL Prin caracteristicile sale, oĠelul oferă o mare libertate de conformare a elementelor structurale úi permite realizarea de structuri deosebit de zvelte, cu gabarite reduse úi cu punere în operă rapidă, prin metode de montaj 'uscat'. Ca atare, domeniul specific de utilizare a oĠelului este în general caracterizat de cerinĠe deosebite în ceea ce priveúte solicitările, greutatea redusă, montajul rapid úi/sau posibilitatea demontării: construcĠii înalte, structuri cu deschideri mari, supraetajări, restaurări de clădiri istorice, construcĠii provizorii. O construcĠie metalică rezultă din asocierea unor profile úi table standardizate, ca „bucăĠi” ale unei „cutii” montate. Ca atare, a construi din oĠel presupune a stăpâni procedeele de îmbinare, ce influenĠează în mod considerabil costul construcĠiei. Iată deci unul din motivele pentru care, din toate timpurile, sectorul construcĠiilor metalice a acordată o atenĠie deosebită tehnicilor de asamblare. In raport cu multitudinea formelor de utilizare pe care le permite oĠelul, este practic imposibilă realizarea unui 'repertoriu' exhaustiv de soluĠii constructive; este însă nu numai posibil, ci úi important a avea în vedere o serie de reguli generale ce permit realizarea structurilor din oĠel în condiĠii economice. ExperienĠa arată că autorii proiectului sunt cei care contribuie esenĠial la realizarea în condiĠii economice a unei construcĠii metalice; concepĠia structurii portante úi rezolvările de detaliu pot conduce la realizarea a cca. 2/3 din economiile posibile. Metodele de preuzinare úi modul de montaj oricât de raĠional nu pot reduce semnificativ costul unei construcĠii concepute de o manieră oneroasă. Faptul că pot fi realizate economii importante datorită unor detalii constructive bine studiate, constituie o caracteristică a construcĠiilor metalice. La proiectarea unei construcĠii cu structura din oĠel este necesar a Ġine cont nu numai de dimensiunile pe care trebuie să le aibă elementele portante, ci úi de felul în care sunt realizate 'nodurile', respectiv felul în care elementele structurale se îmbină între ele. Alegerea tipului de structură úi a schemei statice asociate este strâns legată de modul de îmbinare între elementele structurale; pe de altă parte, dimensiunile diferitelor elemente structurale pot fi influenĠate de caracteristicile 'nodurilor', respectiv ale îmbinărilor. In plus, o alegere judicioasă a profilelor úi a asamblărilor contribuie semnificativ la scăderea costului structurii. Arhitectul úi inginerul stabilesc în comun concepĠia construcĠiei úi sistemul portant: condiĠiile de utilizare úi eventuale modificări în timp ale construcĠiei, dispunerea stâlpilor úi grinzilor în raport cu închiderile úi compartimentările, alegerea unei trame economice úi stabilirea înălĠimii planúeului, alegerea profilelor úi dimensionarea lor. Există totodată o multitudine de posibilităĠi de ameliorare a proiectului prin contribuĠii ale diverúilor parteneri implicaĠi în realizarea construcĠiei (arhitect, inginer de structuri, inginer de instalaĠii, tehnolog, atelier de construcĠii metalice, constructor executant), în raport cu misiunile specifice fiecăruia úi printr-o cooperare interdisciplinară permanentă, în care este esenĠial ca fiecare din specialiútii implicaĠi să posede cel puĠin noĠiuni elementare proprii celorlalte domenii. O colaborare eficientă între parteneri este o condiĠie esenĠială nu numai în ceea ce priveúte costurile, dar úi pentru asigurarea calităĠii imaginii obiectului arhitectural, îndeosebi în cazul structurilor aparente. Sintetizând, se poate spune că, în ceea ce priveúte proiectarea unei construcĠii cu schelet din oĠel, este necesar a avea în vedere - în mod corelat - următoarele aspecte: forma raĠională a elementelor structurale în raport cu diversele situaĠii de utilizare ce determină solicitări specifice; caracteristicile „nodurilor”, respectiv mijloacele úi modalităĠile de asociere a elementelor structurale; tipul de structură úi schema statică asociată; verificarea prin calcul a rezistenĠei úi stabilităĠii structurii (exclusiv în sarcina inginerului); alcătuirea închiderilor úi compartimentărilor, ca úi relaĠia lor cu structura portantă. 21 CONSTRUCğII DIN OğEL 9. ELEMENTE STRUCTURALE Unul dintre avantajele oĠelului ca material de realizare a structurilor portante este marea libertate pe care o permite în conformarea elementelor structurale, fie ele profile laminate utilizate ca atare sau alcătuiri compuse, úi, pe această bază, posibilitatea de a alege forme raĠionale în raport cu solicitările la care sunt supuse elementele structurale. Alegerea raĠională a formelor se bazează pe câteva noĠiuni fundamentale de statică úi rezistenĠa materialelor. STATICA Orice element structural trebuie să se afle în stare de echilibru sub acĠiunea forĠelor exterioare (încărcări utile, greutate proprie, vânt, etc.) úi a legăturilor care îl menĠin în poziĠie (reazeme, încastrări). SOLICITĂRI ùI REZISTENğĂ Transmiterea încărcărilor implică 'mobilizarea' forĠelor interne, numite solicitări. Limitele lor (rezistenĠa ultimă) sunt determinate de materialele úi secĠiunile utilizate; funcĠie de solicitarea specifică fiecărui element structural (grindă, stâlp, tirant, etc.) vom avea: rezistenĠă la încovoiere, rezistenĠă la compresiune, rezistenĠă la întindere. In toate aceste cazuri, există o anumită deformaĠie a elementului structural; această deformaĠie este în general reversibilă (se anulează când dispare încărcarea). Materialul îúi manifestă astfel ELASTICITATEA úi RIGIDITATEA la deformare, prin două caracteristici: modulul de elasticitate al materialului úi caracteristicile secĠiunii solicitate, respectiv aria (A) úi momentul de inerĠie (I). Alte solicitări care pot apărea: forfecarea (ex. bulonul rezistă prin forfecare la efortul exercitat asupra pieselor metalice îmbinate); torsiunea (ex. grinzi curbe sau încărcări excentrice) Toate aceste moduri de a 'rezista' se pot combina pentru a echilibra forĠele exterioare (spre exemplu, într-o grindă încovoiată o parte a încărcărilor este preluată prin rezistenĠă la forfecare). INCĂRCĂRILE Pot fi grupate în mai multe categorii: Încărcări statice: greutate proprie, încărcări utile uniform repartizate sau concentrate, presiunea pământului sau a apei. Încărcări dinamice: vânt, trepidaĠii ale unor utilaje, vibraĠii din trafic auto. Încărcări ocazionale: variaĠii de temperatură, atacuri chimice, contracĠia betonului Încărcări speciale: cutremur, impact, incendiu. CARACTERISTICILE MATERIALULUI Se poate demonstra experimental că pentru majoritatea materialelor, úi în particular pentru oĠel, deformaĠia este proporĠională cu încărcarea atâta timp cît nu este depăúită o încărcare limită ce defineúte astfel LIMITA ELASTICĂ. Limita elastică a oĠelului se numeúte úi limită de curgere, întrucât dincolo de această limită se menĠin deformaĠii permanente chiar úi după dispariĠia încărcării; dincolo de acest punct metalul se comportă deci ca un material plastic. Este evident că în structura unei clădiri nu se admite încărcarea elementelor până la limita elastică; este necesară păstrarea unei anumite marje de SIGURANğĂ. 22 CONSTRUCğII DIN OğEL Principiile de bază pentru dimensionarea unei structuri portante sunt: ¾ REZISTENğA LA SOLICITĂRI ¾ STABILITATEA LOCALĂ ùI DE ANSAMBLU A STRUCTURII ¾ LIMITAREA DEFORMAğIILOR Aceste trei aspecte condiĠionează posibilitatea de utilizare a unei structuri; dacă una din cele trei condiĠii nu este respectată, construcĠia rezultă inutilizabilă. ¾ REZISTENğA ùI STABILITATEA STRUCTURII Verificarea rezistenĠei úi stabilităĠii (sau verificarea siguranĠei structurale) presupune a demonstra că solicitările rezultate din încărcări, multiplicate cu un coeficient de siguranĠă, nu depăúesc rezistenĠa ultimă a structurii úi a elementelor sale. Problema stabiltăĠii se referă la stabilitatea generală a structurii, la prevenirea flambajului úi a răsucirii elementelor comprimate úi respectiv încovoiate, ca úi la „voalarea” (ieúirea din planul propriu) a unor părĠi de secĠiune. Exemplul cel mai frecvent întâlnit îl constituie barele comprimate. (Problema stabilităĠii de ansamblu este tratată într-un capitol separat) x Stabilitatea barelor comprimate. Flambajul. In cazul elementelor de structură solicitate la compresiune, deformaĠiile nu joacă în general un rol determinant; în schimb poate apare un alt fenomen: FLAMBAJUL, ca formă de instabilitate proprie elementelor comprimate zvelte. Această zvelteĠe depinde de lungimea liberă a elementului (lungimea de flambaj) úi de „împrăútierea” materialului în secĠiune. Astfel, cu cît elementul este mai zvelt (lungime de flambaj mare úi/sau material concentrat în centrul secĠiunii), cu atât încărcarea la care elementul comprimat îúi pierde stabilitatea va fi mai mică. Profilul ideal (cel mai economic) rezultă a fi Ġeava rotundă, profilul care asigură stabilitatea la flambaj cu cel mai mic consum de material, ”împrăútiat” radial în toate direcĠiile. (v. fig. - bare comprimate: clasament al diverselor secĠiuni posibile, în ordinea eficienĠei economice) ¾ LIMITAREA DEFORMAğIILOR Verificarea „aptitudinii de serviciu” presupune a demonstra că deformaĠiile corespunzătoare încărcărilor reale din exploatare nu vor depăúi valori acceptabile pentru utilizarea clădirii. Este cazul general al elementelor încovoiate. RestricĠia privind deformaĠiile trebuie avută în vedere cu atenĠie specială atunci când elemente fragile dar rigide (ex. pereĠi din cărămidă) reazemă pe elemente încovoiate (grinzi, plăci). x Deformarea barelor încovoiate. Săgeata. Pentru un anumit material - în cazul de faĠă oĠelul - solicitat la încovoiere, cu un anumit modul de elasticitate, singurul factor care influenĠează deformaĠia este forma secĠiunii, respectiv 'împrăútierea' materialului pe direcĠia de încovoiere („săgeata” unei grinzi va fi cu atât mai mică cu cît materialul este mai 'împrăútiat' pe verticală). Pentru aceeaúi greutate (acelaúi consum de material), profilul de grindă cel mai rigid este cel la care materialul este plasat cel mai departe de centrul de greutate al secĠiunii. In condiĠii de rigidităĠi egale, cel mai economic profil de grindă (cu cel mai mic consum de material) este cel dezvoltat pe înălĠime. (v. fig. - bare încovoiate: comparaĠie între diverse profile de grinzi) 23 CONSTRUCğII DIN OğEL BARE COMPRIMATE CLASAMENT ÎN ORDINEA EFICIENğEI1 ( pentru lungimea de flambaj = 3,50m; încărcare 600 kN = 60 t; OL 37 ) aceeaúi stabilitate la flambaj / consum diferit de material BARE ÎNCOVOIATE PROFILE CU ACEEAùI RIGIDITATE / CONSUM DIFERIT DE MATERIAL1 PROFILE CU ACELAùI CONSUM DE MATERIAL / RIGIDITĂğI DIFERITE1 ConsecinĠă practică: în condiĠii economice, elementele încovoiate trebuie să fie cât mai înalte (circa 1/15 – 1/20 din deschidere). 1 După *** Construire en acier... Comment? Centre Suisse de la Construction Métalique, Zurich, 1988. 24 CONSTRUCğII DIN OğEL STÂLPII: VARIANTE DE ALCĂTUIRE Stâlpii sunt caracterizaĠi în principal de solicitarea la compresiune; ei sunt proiectaĠi úi verificaĠi acordând atenĠie riscului de flambaj. Ca atare este oportună alegerea unor secĠiuni transversale care, pentru aceeaúi cantitate (arie) de material, să îl distribuie cît mai departe de centrul geometric al secĠiunii. Stâlpii pot fi obĠinuĠi dintr-un unic profil laminat I (a) sau H (b - acolo unde există astfel de laminate), din Ġeavă cu secĠiune circulară (c) sau rectangulară (d), sau din asocierea mai multor profile úi/sau table pentru a forma secĠiuni compuse (e, f, g, h). Utilizarea stâlpilor cu secĠiuni compuse se poate dovedi judicioasă în legătură cu exigenĠe privind trasee verticale de instalaĠii. Alegerea tipului de stâlp are la bază considerente de ordin static (arie necesară în raport cu încărcările, stabilitate la flambaj), precum úi exigenĠe legate de execuĠie, respectiv facilitatea realizării îmbinării cu grinzile úi contravântuirile. 25 CONSTRUCğII DIN OğEL GRINZILE: VARIANTE DE ALCĂTUIRE GRINZI CU INIMA PLINĂ Grinzile sunt caracterizate de solicitarea compusă din încovoiere + forfecare; forma cea mai raĠională a secĠiunii este cea în I. Se folosesc profile laminate I (a) sau H (b - acolo unde există astfel de laminate), eventual ranforsate cu platbande sudate (c). Din profile I pot fi obĠinute grinzi cu înălĠime majorată prin decuparea úi sudarea decalată a inimii (d - grinzi 'expandate'). Pentru grinzi de bordaj sau de planúeu se folosesc úi profile U, câte unul (e) sau câte două cuplate (f), eventual ranforsate cu platbande (g). Atunci când nu se găseúte un profil adecvat, se poate recurge la secĠiuni compuse din laminate sudate (h, i, j) care, în cazul unei înălĠimi mari, trebuie să aibă inima rigidizată cu nervuri ce împiedică 'voalarea' (k). 26 CONSTRUCğII DIN OğEL GRINZILE: VARIANTE DE ALCĂTUIRE GRINZI RETICULARE (sau IN ZĂBRELE) Greutatea grinzilor cu inima plină poate ajunge destul de mare atunci când, din motive de rezistenĠă sau rigiditate, grinda trebuie să aibă o înălĠime considerabilă. In acest caz este preferabilă utilizarea de grinzi reticulare sau „în zăbrele”. Grinda reticulară (a, b) este constituită în esenĠă din două 'tălpi', una superioară úi alta inferioară, asociate prin bare de inimă – „montanĠi” úi/sau „diagonale” - în dreptul „nodurilor”. Îmbinările pot fi realizate cu suduri, nituri sau buloane. Tălpile úi barele de inimă sunt realizate de cele mai multe ori din profile laminate (L, U - de regulă duble, pentru a obĠine secĠiuni transversale cu cel puĠin o axă de simetrie) asamblate prin diverse modalităĠi. Nodurile sunt în general realizate cu ajutorul unor „gusee” (c - i). Tălpile úi barele de inimă pot fi realizate úi din Ġevi, cu secĠiune circulară sau rectangulară, îmbinate direct, prin sudură (j). 27 CONSTRUCğII DIN OğEL Din punct de vedere al comportării, se poate considera că tălpilor le revine sarcina preluării încovoierii, în timp ce barele de inimă preiau forfecarea. Grinzile pot avea tălpi paralele sau talpa superioară poate fi înclinată; barele de inimă pot fi dispuse în diverse moduri, rezultând diverse scheme statice (k - q). In cazul schemei în V (k), barele de inimă au toate aceeaúi lungime, dar, pentru o anumită situaĠie de încărcare, unele rezultă întinse úi altele comprimate. In cazul schemei în N (l), pentru încărcări gravitaĠionale diagonalele (barele înclinate) sunt întinse iar montanĠii (barele verticale) sunt comprimate: lungimea mai mică a elementelor comprimate este favorabilă pentru asigurarea stabilităĠii (prevenirea flambajului). Schema (m), cu diagonale în cruce, este folosită frecvent în structurile de contravântuire (la încărcări orizontale, diagonalele sunt alternativ întinse úi comprimate). Dacă talpa superioară este înclinată, structura reticulară este în general denumită fermă. Fermele sunt folosite pentru realizarea acoperiúurilor (n - q). Alegerea unui anumit tip de schemă úi a modalităĠilor de realizare depinde de cerinĠele funcĠionale úi statice ce trebuie îndeplinite. Schemele [n - q] sunt indicate pentru acoperiúuri cu planuri înclinate, în timp ce schemele [k - m] pot fi folosite nu numai pentru acoperiúuri (plate) ci úi pentru alte structuri: pasarele pietonale, poduri, etc. Din punct de vedere al exigenĠelor de ordin static, tipurile [a - b] úi [j] sunt adecvate pentru grinzi reticulare uúoare; celelalte tipuri [k - q] sunt potrivite pentru lucrări mai ample. PrezenĠa guseelor în alcătuirea nodurilor (c - i), chiar dacă nu este necesară în cazul unor tălpi cu inimi înalte úi puĠin solicitate, este totuúi oportună din motive constructive. 28 CONSTRUCğII DIN OğEL Oricare ar fi tipul adoptat, trebuie respectate următoarele CRITERII general valabile: ¾ axele centrelor de greutate ale profilelor ce intervin într-un nod trebuie să fie concurente într-un unic punct; acest punct constituie articulaĠia structurii reticulare de referinĠă; mai mult, îmbinările trebuie astfel dimensionate încât centrul de greutate al suprafeĠelor rezistente (buloane, nituri, suduri) să se găsească pe axa centrului de greutate al profilului îmbinat. ¾ grinzile secundare (panele) care transmit încărcări concentrate structurii reticulare trebuie dispuse în dreptul nodurilor, corespunzător punctului de intersecĠie a axelor profilelor ¾ secĠiunea transversală este de regulă simetrică faĠă de un ax vertical; ca atare, pentru tălpi diagonale úi montanĠi, se preferă fie profile simetrice (T, I), fie profile duble (2 U, 2 L). 29 CONSTRUCğII DIN OğEL PANELE Panele sunt grinzi secundare care transmit încărcările din învelitoare către fermele de acoperiú; se realizează de regulă din profile I sau U. Dacă profilele sunt fixate cu axa principală perpendiculară pe talpa înclinată a fermei, ele sunt solicitate la o încovoiere deviată în raport cu direcĠia normală, cu o influenĠă semnificativă dacă panta acoperiúului este mai mare de 100; această solicitare particulară face necesară o supradimensionare a profilului (este necesar un profil mai înalt decât în cazul unei grinzi orizontale pe aceeaúi deschidere). Ca atare, în cazul unor deschideri importante, este oportună adoptarea unor măsuri menite să reducă influenĠa înclinaĠiei acoperiúului, úi anume: - montarea panelor cu axa principală verticală, astfel încât să nu existe încovoiere deviată cel puĠin pentru încărcările verticale, de regulă cele mai semnificative; această soluĠie complică însă mult problema îmbinării dintre pană úi talpa superioară a ferme; sau - reducerea deschiderii panelor prin legarea lor cu tiranĠi dispuúi în planul învelitorii; reprezintă soluĠia cea mai simplă; tiranĠii, realizaĠi din bare filetate la capete úi fixate la jumătatea înălĠimii panelor, formează astfel reazeme intermediare care subîmpart deschiderea de calcul a panelor: în trei părĠi sau, la deschideri mai mici, în două părĠi. 30 CONSTRUCğII DIN OğEL 10. NODURI ÎNTRE ELEMENTE STRUCTURALE Îmbinările (nodurile) între elementele structurale (stâlpi, grinzi, fundaĠii) trebuie concepute în raport cu două categorii de exigenĠe: exigenĠe de ordin static, privind corecta transmitere a solicitărilor; exigenĠe de execuĠie, privind facilitatea montajului. NODURI GRINZI - STÂLPI Din punct de vedere static, există două tipuri fundamentale: noduri de tip articulaĠie (capabile să transmită de la grindă la stâlp numai forfecarea) úi noduri de tip încastrare (sau noduri rigide, capabile să transmită stâlpului úi forfecarea, úi încovoierea); cele două moduri de comportare sunt condiĠionate de modul de realizare a nodului úi influenĠează schema statică de ansamblu, deci alegerea unui anumit tip de structură a clădirii. NODURI ARTICULATE - exemple Asamblări realizate prin bulonare. GRINDA ASAMBLATĂ PE GRINDA ASAMBLATĂ PE INIMA STÂLPULUI TALPA STÂLPULUI 31 CONSTRUCğII DIN OğEL NODURI RIGIDE - exemple Asamblare realizată cu buloane + suduri (a, b, c), numai cu suduri (d, g) sau numai cu buloane. Stâlp continuu úi grinda întreruptă (g, i); grindă continuă úi stâlp întrerupt (h); stâlp úi grindă continue (l, m). Asamblări cu flanúe (i, j, k). 32 CONSTRUCğII DIN OğEL In alcătuirea nodului rigid (capabil să transmită stâlpului încovoierea din grindă) este util a Ġine cont de următoarele CRITERII: x este oportună dispunerea majorităĠii buloanelor în vecinătatea tălpii întinse a grinzii, în rânduri de câte două; buloanele din zona tălpii întinse trebuie dispuse simetric, sub úi deasupra tălpii; x trebuie prevăzute coaste orizontale, de regulă având grosime egală cu cea a tălpilor grinzii úi poziĠionate la aceeaúi cotă cu acestea, pentru a împiedica deformarea tălpii stâlpului pe care se prinde grinda; x în unele situaĠii, când panoul delimitat în cadrul inimii stâlpului de coastele orizontale sus- menĠionate nu poate prelua încovoierea transmisă de grindă, este necesară prevederea unor coaste diagonale de rigidizare a respectivului panou. NODURI ÎNTRE GRINZI Se referă la îmbinările dintre grinzi secundare úi principale, úi trebuie să respecte aceleaúi categorii de exigenĠe, de ordin static úi de montaj, ca úi în cazul anterior. úi îmbinările între grinzi pot fi capabile să transmită numai forfecarea (noduri articulate) sau forfecarea + încovoierea (noduri rigide, de tip încastrare). Nodul de tip articulaĠie transmite forfecarea de la inima grinzii secundare către inima grinzii principale. NODURI ARTICULATE – exemple 33 CONSTRUCğII DIN OğEL PosibilităĠi de asamblare Detaliu de nod articulat. Asamblare cu două corniere + buloane. NODURI RIGIDE – exemple Detaliu de nod rigid. Asamblare cu buloane. 34 CONSTRUCğII DIN OğEL NODURI STÂLP - FUNDAğIE Stâlpii din oĠel sunt în general fixaĠi la bază pe fundaĠii din beton. ExigenĠa de a reduce eforturile de la valori acceptabile pentru oĠel (de ordinul a 15-20 kg/mm2) la valori acceptabile pentru beton (de ordinul a 1 kg/mm2), face indispensabilă interpunerea unei plăci de distribuĠie (placă de rezemare sau de ancorare). O exigenĠă particulară în ceea ce priveúte ancorajele oĠel - beton, decurge din diferenĠa de ordin de mărime a toleranĠelor acceptate în cele două sectoare de construcĠii, respectiv fundaĠii úi structuri metalice. Problemele pot fi rezolvate cu un sistem de placă dublă (sau placă úi contraplacă): una dintre plăci este ancorată în fundaĠie, cea de-a doua este asociată bazei stâlpului. Eventualele (probabilele) „jocuri” excesive din punct de vedere al structurii din oĠel sunt compensate prin modul de realizare a legăturii dintre cele două plăci, ce permite reglarea poziĠiei stâlpului faĠă de fundaĠie nu numai în plan orizontal, ci úi pe verticală, inclusiv înclinaĠia. 35 CONSTRUCğII DIN OğEL Din punct de vedere static, ancorarea stâlpului la bază este concepută în raport cu solicitările pe care trebuie să le transmită fundaĠiei; pot fi astfel diferenĠiate două categorii majore de ancoraje: articulaĠii úi încastrări, cu implicaĠii asupra schemei statice de ansamblu. ARTICULAğII În acest caz se consideră că stâlpul transmite fundaĠiilor numai încărcări verticale (compresiune). Modul cel mai simplu de realizare este cel care constă în a suda la baza stâlpului o placă din oĠel prevăzută cu două (sau patru) găuri; această placă este asociată la fundaĠii prin intermediul a două (sau patru) buloane cu tija special conformată pentru ancorare (v. imaginile de mai sus). Dacă stâlpul transmite fundaĠiilor numai o forĠă normală de compresiune, tijele de ancorare ar putea fi considerate inutile: în realitate ele sunt indispensabile atât pentru o mai bună legătură stâlp-fundaĠie, cît úi pentru facilitarea poziĠionării stâlpului în faza de montaj. In acest caz, dimensionarea tijelor de ancorare poate fi făcută în manieră empirică (prin aproximarea eforturilor de forfecare funcĠie de încărcarea verticală). Dimensionarea suprafeĠei plăcii se face în aúa fel încât aceasta să poată asigura o repartiĠie cît mai uniformă a presiunii de contact pe betonul fundaĠiei; în acest scop placa trebuie să fie suficient de rigidă úi uneori este necesară prevederea unor nervuri de rigidizare. Grosimea minimă a plăcii este determinată din considerente de rezistenĠă, respectiv în aúa fel încât valorile eforturilor rezultate din încărcări să nu depăúească rezistenĠa admisibilă; orice supliment de grosime a plăcii este în avantajul rigidităĠii sale. O legătură de acest tip este simplu de realizat, dar este, evident, departe de a fi o articulaĠie ideală; se consideră totuúi acceptabilă (întrucât eforturile din încovoiere care pot apărea sunt neglijabile) úi reprezintă soluĠia cel mai frecvent folosită. In cazuri particulare, se poate recurge la dispozitive care reproduc mai bine articulaĠia ideală. ÎNCASTRĂRI In acest caz stâlpul transmite fundaĠiilor o forĠă normală de compresiune úi un moment de răsturnare (încovoiere). FuncĠie de raportul dintre cele două componente, la nivelul plăcii de rezemare pot apărea, în afara eforturilor de compresiune, eforturi de întindere (tracĠiune) care tind să desprindă placa de blocul de beton; aceste eforturi de tracĠiune trebuie să poată fi preluate de tijele de ancorare precum úi de partea din suprafaĠa de contact a plăcii pe beton care rezultă comprimată. Ca atare este necesară o dimensionare atentă a tijelor de ancorare úi a suprafeĠei plăcii de rezemare; grosimea minimă a plăcii se stabileúte din considerente de rezistenĠă (analog cazului stâlpului comprimat centric) úi, după cum s-a mai arătat, este oportună rigidizarea sa suplimentară, inclusiv cu nervuri. 36 CONSTRUCğII DIN OğEL In ceea ce priveúte ancorarea tijelor, dacă eforturile de tracĠiune (întindere) nu sunt foarte importante, este suficientă aderenĠa între suprafaĠa tijei (dimensionată corespunzător) úi beton. In situaĠii de importanĠă majoră, când nu se poate conta numai pe aderenĠa dintre tija de ancorare úi beton, eforturile din tijă sunt transmise masei de beton prin intermediul unor dispozitive speciale: ancoraje cu profile din oĠel înglobate în beton (a, b) sau cu tuburi ondulate (c) care, mărind suprafaĠa de contact, cresc valoarea eforturilor transmisibile. 37 CONSTRUCğII DIN OğEL 11. CONCEPğIA DE ANSAMBLU A STRUCTURII Alegerea structurii portante influenĠează considerabil concepĠia globală a unei clădiri. Structura majoră a clădirii nu va putea fi deci valabil determinată decât simultan cu definirea poziĠiei faĠadei, a compartimentărilor, a nodurilor de circulaĠie úi a instalaĠiilor, în raport cu elementele portante. Astfel, tramei structurale - definită prin deschiderile úi poziĠiile stâlpilor - i se va integra sau suprapune o tramă secundară determinând poziĠiile elementelor de închidere, de compartimentare, a tavanelor suspendate úi a spaĠiilor necesare pentru trecerea instalaĠiilor. De alegerea judicioasă a acestei trame secundare va depinde nu numai aspectul arhitectural, ci úi execuĠia raĠională úi economică a construcĠiei. Structurile clădirilor au în general mai multe niveluri (cu excepĠia halelor) iar grinzile vor trebui să suporte încărcările plăcilor, pe care le transmit elementelor portante verticale; acestea, la rândul lor, transmit în mod cumulat încărcările către fundaĠii. Din punct de vedere al modului de preluare a forĠelor orizontale (vânt, seism) se pot distinge două mari categorii de construcĠii cu structură metalică: - ConstrucĠii cu cadre rigide; - ConstrucĠii cu cadre articulate A. CONSTRUCğII CU CADRE RIGIDE Sunt construcĠii la care nodurile dintre stâlpi úi grinzi sunt rigide, putând prelua încovoierea úi transmite astfel de la grindă către stâlp solicitările apărute din acĠiuni orizontale; practic toate elementele portante, orizontale úi verticale, participă deopotrivă la preluarea eforturilor din încărcări verticale úi orizontale. ConstrucĠiile cu noduri rigide reprezintă un tip de structură ce până de curând a fost frecvent folosit în SUA, la realizarea unor clădiri-turn foarte zvelte, fără contravântuiri. Ultimele cutremure au pus însă sub semnul întrebării acest tip de structură, întrucât sub acĠiunea seismică puternică nodurile au cedat; ca atare, orientările actuale asociază acestui tip de structură elemente de „contravântuire” specializate, care să preia parĠial acĠiunile orizontale. B. CONSTRUCğII CU CADRE ARTICULATE Structurile din oĠel au particularitatea de a fi structuri „montate”, respectiv realizate prin asamblarea în úantier a unor elemente produse în prealabil în altă parte decât locul de execuĠie a clădirii. De regulă se urmăreúte ca operaĠiunile de asamblare să fie cît mai simple, atât din motive economice, cît úi din motive tehnologice; condiĠiile normale de lucru în úantier fac să fie costisitoare (úi nu întotdeauna sigure ca efect) procedeele ce tind să realizeze noduri complicate menite să refacă în operă continuitatea unor elemente produse separat (noduri rigide). Pe de altă parte, nodurile simple, ce pot fi realizate în mod convenabil în úantier, fac ca structura în ansamblul său să fie puĠin stabilă: în situaĠia - ideală din punct de vedere al execuĠiei - în care toate îmbinările ar fi de tip articulaĠie, construcĠia ar rezulta de-a dreptul instabilă. Pentru a nu renunĠa la avantajele simplităĠii constructive a nodurilor de tip articulaĠie úi a asigura totuúi stabilitatea de ansamblu a construcĠiei, se practică utilizarea unor elemente cu funcĠiune specifică de „contravântuire”, menite să împiedice deplasările relative între noduri úi deformaĠiile excesive. } SISTEMELE DE CONTRAVÂNTUIRE În raport cu rolul particular îndeplinit, contravântuirile se împart în două categorii: contravântuiri verticale úi contravântuiri orizontale. Contravântuirile verticale au rolul de a prelua forĠele orizontale, datorate vântului sau cutremurelor, úi de a le transfera la nivelul fundaĠiilor. In acest mod, celelalte elemente portante din oĠel (grinzi úi stâlpi) trebuie să suporte doar încărcările verticale, iar îmbinările dintre ele pot avea simplitatea dorită. 38 CONSTRUCğII DIN OğEL Contravântuirile verticale pot fi realizate în diverse moduri: Cu elemente rigide plane (diafragme): - pereĠi din b.a. (sau eventual din zidărie, la construcĠii mici); - panouri cu structură reticulară din oĠel. In plan sunt necesare cel puĠin trei contravântuiri, în plane neconcurente, dintre care două pot fi paralele úi al treilea perpendicular pe primele două. Cu elemente rigide spaĠiale, numite „tuburi”, ce grupează de regulă circulaĠiile verticale (scări, ascensoare); acestea pot fi: - tuburi din b.a. (eventual din zidărie, la construcĠii mici); - tuburi cu structură reticulară din oĠel. Este de remarcat faptul că în cazul altor tipuri de structuri (din beton armat, din zidărie) nu este necesară prevederea unor elemente cu funcĠiune specifică de contravântuire, această funcĠiune putând fi îndeplinită de însăúi elementele portante (cadre, pereĠi), rigide prin natura lor; în schimb probleme similare apar în cadrul construcĠiilor cu schelet din lemn. Pentru ca elementele de contravântuire să nu devină 'un rău necesar' cu efecte perturbatoare asupra compoziĠiei arhitecturale, alegerea sistemului trebuie făcută încă de la începutul studiului structurii clădirii. Zăbrelele din oĠel, cu geometrii diverse (în X, K, A, etc) având ca regulă comună crearea de triangulaĠii nedeformabile, reprezintă elementul de contravântuire cel mai frecvent utilizat; pot fi integrate faĠadelor (v. IBM - Pittsburg, World Trade Center - New York, etc), ceea ce face indispensabil studiul integrat, încă de la începutul concepĠiei clădirii, al problemelor structurale, estetice, de izolare termică úi fonică. Contravântuirile orizontale au rolul de a limita deformaĠiile structurii metalice úi de a permite transmiterea forĠelor orizontale către contravântuirile verticale. Sunt structuri rigide plane (diafragme sau 'úaibe' orizontale) úi pot fi realizate din: - dale de b.a. sau dale cu elemente ceramice úi b.a. (reproducând astfel ceea ce există de la sine în structurile de b.a. úi zidărie); - structuri reticulare orizontale (sau înclinate, în cazul acoperiúurilor cu pante) din oĠel, în general cu elemente dispuse în cruce; de regulă, în cazul planúeelor, aceste structuri reticulare au ca „tălpi” úi „montanĠi” grinzile principale úi, respectiv, cele secundare; în cazul acoperiúurilor înclinate, „tălpile” úi 'montanĠii' sunt constituiĠi de pane úi, - respectiv, tălpile superioare ale fermelor. DIVERSE MODALITĂğI DE PRELUARE A FORğELOR ORIZONTALE Ilustrare schematică a comportamentului unor diverse tipuri de structuri metalice: a) Cu pereĠi rigizi din b.a.; b) Cu contravântuiri reticulare; c) Cu noduri rigide. (Pentru simplificare, reprezentarea ia în considerare o unică direcĠie de acĠiune a forĠei orizontale, într-un singur plan) 39 CONSTRUCğII DIN OğEL CADRE RIGIDE NODURI RIGIDE între elementele structurale principale: transmiterea eforturilor din elementele orizontale către cele verticale se face prin încovoiere. Toate elementele (orizontale úi verticale) participă la preluarea încărcărilor verticale úi orizontale (vânt, seism). CADRE ARTICULATE ASOCIATE CU UN TUB DE B.A. Tubul de b.a. preia încărcările orizontale. Două variante funcĠie de modul de execuĠie: [a] Tub de b.a. turnat înaintea montării scheletului metalic. SoluĠie economică, în special în condiĠiile folosirii de cofraje glisante. [b] Tub de b.a. turnat după montarea scheletului metalic. Permite închiderea rapidă a clădirii (montarea faĠadelor simultan cu turnarea tubului). Necesită contravântuiri provizorii. 40 CONSTRUCğII DIN OğEL CADRE ARTICULATE + CONTRAVÂNTUIRI RETICULARE 41 CONSTRUCğII DIN OğEL CONTRAVÂNTUIRE CU TUBURI DIN BETON ARMAT Schema statică longitudinală Schema statică în dreptul tuburilor transversală 42 CONSTRUCğII DIN OğEL CONTRAVÂNTUIRE VERTICALĂ RETICULARĂ CU BARE DE OğEL Schemă de dispunere a contravântuirilor verticale Schemă statică longitudinală pentru ½ din secĠiune Schemă statică transversală 43 CONSTRUCğII DIN OğEL SCHEMA DE FUNCğIONARE A CONTRAVÂNTUIRILOR Dispunerea barelor în cruce face posibilă utilizarea unor profile cu secĠiuni foarte mici: oricare ar fi direcĠia forĠei orizontale, una din diagonale rezultă întinsă; capacitatea portantă a rigidizării este dată de rezistenĠa la întindere, care constituie criteriul de dimensionare a barelor. Contravântuiri orizontale Contravântuiri verticale SCHEMĂ DE DISPUNERE A CONTRAVÂNTUIRILOR LA O STRUCTURĂ DE ACOPERIRE 44 CONSTRUCğII DIN OğEL DETALII DE ÎMBINARE LA CONTRAVÂNTUIRILE VERTICALE - exemple Îmbinare între bare de contravântuire úi stâlp (a, b); îmbinare între bare în cruce (c, d); îmbinare între stâlp, grindă úi bară de contravântuire (e) DETALII DE ÎMBINARE LA CONTRAVÂNTUIRILE ORIZONTALE - exemple Îmbinare între grindă principală, grindă secundară úi bară de contravântuire (a); îmbinare între stâlp, grinzi úi bară de contravântuire (b); îmbinare între bare de contravântuire úi grindă (c); îmbinare între grindă principală, grindă secundară úi bară de contravântuire (d). 45 CONSTRUCğII DIN OğEL SCHEME STRUCTURALE La scheletele articulate secĠiunile úi săgeĠile grinzilor rezultă mai mari decât în cazul nodurilor rigide (cu rezemare prin încastrare). SecĠiunile stâlpilor sunt mai mici decât cele necesare în cazul îmbinărilor cu încastrare. Atunci când raportul L/H este mic ( L= deschiderea grinzilor úi H = înălĠimea de etaj), scheletele articulate rezultă mai uúoare decât cele cu noduri rigide. Variantele , úi cu grinzi continui sunt mai economice decât varianta. Avantajele: montaj simplu; calcul de stabilitate a stâlpilor simplu ( static determinaĠi ). Dezavantaje: profilele grinzilor cu înălĠime mai mare determină înălĠimi mai mari de etaj; ca atare încărcarea totală a construcĠiei devine mai mare. 46 CONSTRUCğII DIN OğEL SCHEME STRUCTURALE La scheletele articulate secĠiunile úi săgeĠile grinzilor rezultă mai mari decât în cazul nodurilor rigide (cu rezemare prin încastrare). SecĠiunile stâlpilor sunt mai mici decât cele necesare în cazul îmbinărilor cu încastrare. Atunci când raportul L/H este mic ( L= deschiderea grinzilor úi H = înălĠimea de etaj), scheletele articulate rezultă mai uúoare decât cele cu noduri rigide. Variantele , úi cu grinzi continui sunt mai economice decât varianta. Avantajele: montaj simplu; calcul de stabilitate a stâlpilor simplu ( static determinaĠi ). Dezavantaje: profilele grinzilor cu înălĠime mai mare determină înălĠimi mai mari de etaj; ca atare încărcarea totală a construcĠiei devine mai mare. 47 CONSTRUCğII DIN OğEL SCHEME STRUCTURALE Îmbinările între grinzi úi stâlpi sunt rigide (încastrări); stâlpii sunt încastraĠi în fundaĠii. Ansamblul sistemului rezultă multiplu static nedeterminat, ca atare calculele de stabilitate sunt complicate. Atunci când raportul L/H este mare ( L= deschiderea grinzilor úi H = înălĠimea de etaj), scheletele rigide rezultă mai uúoare decât cele cu noduri articulate. SecĠiunea grinzilor este mai mică decât în cazul scheletelor articulate, deci înălĠimea de etaj úi încărcările totale rezultă mai mici. Varianta este mai economică decât varianta ; implică însă calcule foarte complicate. 48 CONSTRUCğII DIN OğEL 12. PLANùEE PLANùEE CERAMICE PLANùEE CU NERVURI DIN BETON ARMAT PRECOMPRIMAT PLANùEU CU PREDALĂ ùI SUPRABETONARE 49 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU PLACĂ DE BETON ARMAT Profilul de oĠel al grinzii poate fi complet înglobat în beton, sau poate ieúi în afara părĠii inferioare a plăcii; conlucrarea dintre placa de b.a. úi grinda metalică se realizează prin prevederea unor legături cu gujoane metalice care să împiedice lunecarea reciprocă între cele două elemente. Placă turnată in situ Placă prefabricată Rezemare în câmpul plăcii Rost între prefabricate PLANùEE CU TABLĂ CUTATĂ Sunt constituite din tablă de oĠel cu grosimi de 0.5 - 1.5 mm, formată la rece, úi o dală de beton turnată peste tablă; funcĠie de deschidere, tabla cutată reazemă fie direct pe grinzile principale, fie pe grinzi secundare (v. schema de mai jos). Tabla este zincată, ceea ce îi asigură o protecĠie suficientă în condiĠii de umiditate normală. Pentru forme, înălĠimi, lungimi, accesorii, finisaje, precum úi deschideri admise, trebuie de regulă consultată documentaĠia producătorului. 50 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU TABLĂ CUTATĂ Cutarea creúte rigiditatea tablei úi deschiderea pe care o poate acoperi; tabla cutată serveúte ca platformă de lucru în timpul execuĠiei úi drept cofraj pentru turnarea betonului. Panourile de tablă sunt fixate de grinzile suport prin puncte de sudură pătrunse prin tablă. Panourile se îmbină între ele de-a lungul marginilor, cu úuruburi sau suduri. Dacă placa trebuie să servească drept diafragmă (rigidizare) orizontală, perimetrul tablei trebuie sudat de reazemele din oĠel. Există 3 variante: A. Placă de b.a. cu cofraj pierdut din tablă Tabla cutată serveúte drept cofraj pierdut pentru o placă de b.a.; înaintea turnării betonului, se dispune peste tablă o reĠea de bare sudate; tabla cutată susĠine betonul până când acesta se întăreúte úi dobândeúte capacitate portantă. B. Placă mixtă oĠel - beton Tabla cutată serveúte ca armătură (capabilă să preia întinderile) a plăcii de beton; aderenĠa între tablă úi beton trebuie asigurată mecanic (striuri în tablă, gujoane). Conlucrarea cu grinzile metalice se realizează cu gujoane de oĠel sudate prin tablă de profilul grinzii. C. Placă alveolară Sunt plăci foarte uúoare, relativ scumpe, ce pot acoperi deschideri până la 4.50 m. Ridică probleme în cazul unor încărcări concentrate peste 300 kg. Se realizează prin sudarea unei table cutate de una plană, sau a două table cutate între ele. SpaĠiul creat poate fi folosit ca traseu pentru cabluri electrice úi de comunicaĠii; în anumite cazuri alveolele pot fi folosite drept canale de ventilaĠie. Necesită de regulă un plafon suspendat absorbant fonic. 51 CONSTRUCğII DIN OğEL Planúee cu tablă cutată pentru acoperiúuri: In cazul planúeelor de acoperiú, betonul poate fi suprimat úi izolaĠia termică aúezată direct pe tabla cutată, rezultând o alcătuire foarte uúoară dar cu slabă inerĠie termică úi izolare acustică. In general necesită contravântuire orizontală complementară. ¾ GRINZILE SECUNDARE Alegerea grinzilor secundare este dictată pe de o parte de considerente de ordin static (deschideri, încărcări, săgeată admisibilă) úi, pe de altă parte, de exigenĠe privind traseele instalaĠiilor úi finisajele (grinzi aparente sau tavan suspendat). Pot fi realizate din: profile laminate profile de tablă subĠire grinzi în zăbrele GRINZI DIN PROFILE LAMINATE - Profile cu înălĠimea minimă Grinzi H (profil unic sau compus din table groase sudate) PosibilităĠi limitate de realizare a unor străpungeri prin „inimă” (max. h/3). ExistenĠa unor trasee orizontale de instalaĠii presupune de regulă prevederea unui spaĠiu sub grinzi, mascat de un tavan suspendat. Deschideri recomandate: max. 6 - 7 m. - Profile înalte Grinzi I (profil unic sau compus) PosibilităĠi de decupare a sistematică a 'inimii' cu goluri hexagonale sau circulare (max. h/2), sau grinzi 'expandate'. Golurile uúurează planúeul úi permit trecerea unor trasee de instalaĠii. Tavanul suspendat poate fi poziĠionat la limita tălpii inferioare, cu prevederea unor profile speciale (tablă zincată, lemn) pentru fixare. Deschideri recomandate: max. 9 m la planúee curente de clădiri etajate max. 16 m la planúee de acoperiú GRINZI DIN PROFILE DE TABLĂ SUBğIRE Sunt profile deschise, obĠinute prin formarea la rece a tablelor subĠiri. Pot avea inima perforată, ceea ce reduce greutatea grinzilor úi permite trecerea cablurilor electrice úi a unor Ġevi de instalaĠii cu gabarit redus. Schema de planúeu este foarte asemănătoare planúeelor cu grinzi de lemn. Planúeele rezultate sunt economice, uúoare, necombustibile úi protejate anticoroziv. Deschideri recomandate: max. 6 - 7 m. GRINZI ÎN ZĂBRELE Permit trecerea instalaĠiilor printre montanĠi úi diagonale; sunt suficient de rigide dacă înălĠimea grinzii atinge 1/10 din deschidere; planúeele rezultate sunt uúoare úi economice. Deschideri recomandate: peste 10 m. 52 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU GRINZI SECUNDARE DIN PROFILE DE TABLĂ SUBğIRE Tabelul următor poate fi folosit pentru o dimensionare preliminară, orientativă. Pentru dimensiunile exacte, detalii specifice, deschideri disponibile úi încărcări admisibile, trebuie consultată documentaĠia producătorului. H profil Interax Deschideri (cm) (m) (m) 3.00 3.60 4.20 4.80 5.40 6.00 6.60 20 cm 0.40 2 2 2 2 2 0.60 2 2 2 2 2 1.20 2 2 2 2 2 22.5 cm 0.40 2 2 2 0.60 2 2 2 1.20 2 2 2 25 cm 0.40 2 2 2 2 2 0.60 2 2 2 2 2 1.20 2 2 2 2 2 30 cm 0.40 2 2 0.60 2 2 1.20 2 2 NOTĂ: Pentru un anumit profil, cu cît creúte interaxul grinzilor úi deschiderea, se reduc încărcările admisibile. Spre exemplu, considerând ca bază de comparaĠie un planúeu cu profile de 20 cm la interax de 0.40 m úi deschideri de 3.00 m, încărcarea capabilă se reduce la cca. 1/4 în cazul majorării deschiderii la 5.40 m; în cazul în care se majorează interaxul la 1.20 m, păstrând deschiderea de 3.00 m, încărcarea capabilă se reduce la cca. 1/3; în cazul în care se majorează úi interaxul úi deschiderea la 1.20 m úi respectiv 5.40 m, încărcarea capabilă se reduce la cca. 1/14. 53 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU GRINZI SECUNDARE DIN PROFILE DE TABLĂ SUBğIRE 54 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU GRINZI SECUNDARE ÎN ZĂBRELE Sunt prefabricate în ateliere úi, de regulă, sunt standardizate ca lungimi, înălĠimi úi capacităĠi portante. Standardizarea dimensiunilor impune utilizarea unei trame regulate. Sistemul funcĠionează cel mai eficient în condiĠii de încărcare uniform distribuită. CondiĠiile de rezemare a tălpii superioare limitează consolele. La deschideri peste 10 m constituie o alternativă economică. Permit trecerea traseelor de instalaĠii printre barele de inimă. 55 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE CU GRINZI SECUNDARE ÎN ZĂBRELE 56 CONSTRUCğII DIN OğEL PLANùEE DE ACOPERIù CU GRINZI SECUNDARE ÎN ZĂBRELE Sistemul de acoperiú plat (în terasă) cu grinzi în zăbrele este similar ca schemă generală cu sistemul de planúeu curent ce foloseúte grinzi în zăbrele. Pentru a rezista la o potenĠială acĠiune ascendentă a vântului, fiecare grindă trebuie asigurată prin ancorare la suport. De asemenea, tabla cutată ce realizează suportul continuu al învelitorii trebuie asigurată prin fixare de suport cu suduri în puncte sau prinderi mecanice. Peste tabla cutată se poate turna beton (eventual beton uúor, termoizolant) sau se poate dispune direct o termoizolaĠie în plăci rigide, înaintea aplicării hidroizolaĠiei. Pentru a oferi o suprafaĠă cît mai mare de rezemare a termoizolaĠiei rigide, este bine ca tabla să aibă cutele cu faĠa superioară lată úi netedă; dacă tabla are striuri de rigidizare, termoizolaĠia trebuie fixată cu prinderi mecanice. TĂLPI PARALELE TALPA SUPERIOARĂ CU O PANTĂ TAPLA SUPERIOARĂ CU DOUĂ PANTE Panta de scurgere poate fi obĠinută prin înclinarea grinzilor sau prin variaĠia grosimii termoizolaĠiei ProducĠia standardizată include grinzi cu deschideri mari úi foarte mari,

Construcții din Oțel - An II - 2003 - PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript