BAZELE PROIECTARII STRUCTURILOR IN CONSTRUCTII

BAZELE PROIECTARII STRUCTURILOR IN CONSTRUCTII

1 Notiuni generale

Proiectarea unei structuri presupune parcurgerea mai multor etape preliminare, in care se discuta mai multe solutii, se fac evaluari si verificari, urmand ca in etapa de definitivare sa se execute documentatia necesara aprobarii solutiei optime din punct de vedere structural, estetic, functional si economic.

Pentru inginerul proiectant, prima etapa a proiectarii unei structuri consta in definirea cu claritate a sarcinilor care-i revin si care de obicei rezulta din tema de proiectare:

conditiile restrictive impuse structurii;

destinatia si conditiile de exploatare a constructiei;

amplasamentul constructiei;

definirea eventual de catre utilizator a structurii de rezistenta;

In urmatoarea etapa, se presupune colaborarea dintre inginer si arhitect pentru a stabili:

conceptia de alcatuire a structurii si a elementelor geometrice;

propuneri pentru materiale;

estimarea costurilor.

Urmatoarea etapa presupune:

alegerea variantei optime;

calculul static;

intocmirea planurilor de ansamblu;

obtinerea avizelor si verificarilor necesare;

memoriu tehnic privind descrierea structurii proiectate, note de calcul, alte specificatii tehnice;

devizul detaliat al lucrarilor (material, manopera, utilaje, etc) necesare realizarii structurii proiectate.

2. Cerinte de baza

Scopul general al proiectarii este acela de a asigura, cu o probabilitate acceptabila, ca structura proiectata sa se comporte satisfacator pe durata de viata considerata la proiectare, respectiv sa satisfaca urmatoarele cerinte de baza: rezistenta structurala, functionalitate si durabilitate .

In caz de incendiu, rezistenta structurala trebuie mentinuta pentru o perioada de timp determinata .

O structura trebuie astfel proiectata incat sa nu ajunga in situatii de colaps partial sau total datorita unor evenimente precum exploziile si impactul .

Cerintele de baza (rezistenta structurala, functionalitate si durabilitate), trebuie indeplinite prin

- alegerea materialelor structurale adecvate ;

- proiectarea si detalierea constructiva corespunzatoare

- specificarea procedurilor de control in proiectare, in fabrici de produse pentru constructii, in executia si exploatarea structurii considerate.

Proiectarea se considera ca indeplineste cerintele necesare daca sunt indeplinite urmatoarele:

- alegerea sistemului structural si proiectarea structurii se efectueaza de personal cu calificarea si experienta adecvata;

- executia se efectueaza de un personal cu calificarea si experienta adecvata;

- calitatea executiei lucrarilor pe santier si in fabrica se asigura prin supraveghere si control;

- materialele si produsele sunt utilizate conform standardelor si normelor nationale relevante pentru acestea;

- structura beneficiaza de o intretinere adecvata;

- structura se utilizeaza in conformitate cu ipotezele admise la proiectare.

3. Durata de viata proiectata

Pentru fiecare constructie trebuie sa existe o perioada minima de serviciu, exprimata in ani, perioada in care nu este nevoie de nici o reparatie majora pentru mentinerea starii tehnice a ei.

Perioada de serviciu este de fapt durata de viata proiectata (T ) a constructiei, si poate fi simplificat considerata, conform tabelului de mai jos

4. Durabilitatea

Structura trebuie proiectata astfel incat deterioararea sa pe durata de viata proiectata sa nu afecteze performantele constructiei, luandu-se in considerare atat conditiile de mediu in care structura este expusa cat si nivelul de intretinere corespunzator.

Conditiile de mediu trebuie identificate in faza de proiectare.

5. Principiile proiectarii la stari limita

Proiectarea structurilor trebuie efectuata in functie de destinatia, importanta si valoarea constructiei.

Starile limita reprezinta stari inafara carora structura nu mai satisface criteriile adoptate la proiectare .

Starile limita se impart in: stari limita ultime si stari limita de serviciu .

5.1. Stari limita ultime - Sunt asociate cu prabusirea sau cu forme similare de cedare structurala.

Starile limita ultime sunt acele stari limita care sunt in legatura cu siguranta oamenilor si/sau siguranta structurilor (de exemplu: pierderea echilibrului, cedari prin rupere sau prin deformatii a unor parti sau a intregii structuri sau alte distrugeri dependente de timp etc).

5.2. Stari limita de serviciu

Starile limita de serviciu sunt acele stari limita care se refera la comportarea normala a structurilor sau sunt in legatura cu starea de confort al utilizatorilor, dar si cu aspectul exterior al constructiilor (de exemplu: deformatii, fisuri si vibratii excesiv de mari) .

6. ACTIUNI IN CONSTRUCTII

6.1 Notiuni generale

Prin actiune se intelege orice cauza capabila sa genereze stari de solicitare mecanica intr-o constructie.

Actiunile asupra constructiilor se pot exprima prin :

- forte/incarcari aplicate asupra structurii (actiuni directe) ;

- acceleratii provocate de cutremure sau alte surse (actiuni indirecte) ;

- deformatii impuse cauzate de variatii de temperatura, umiditate sau tasari diferentiate (actiuni indirecte).

Efectul actiunii/actiunilor pe structura se poate exprima in termeni de efort sectional si/sau efort unitar in elementele structurale, precum si in termeni de deplasare si/sau rotatie pentru elementele structurale si structura in absamblu.

6.2. Clasificarea actiunilor

In functie de variatia lor in timp actiunile pot fi clasificate astfel :

a. Actiuni permanente (G) - se aplica in mod continuu, cu o intensitate practic constanta in raport cu timpul, de exemplu:

- actiuni directe cum ar fi : greutatea proprie a elementelor de constructie, a echipamentelor fixate pe constructii

si

- actiuni indirecte, datorate contractiei betonului, tasarilor diferentiate si efectului pretensionarii ;

b. Actiuni variabile (Q) - se aplica in mod intermitent, sau cu o intensitate variabila in raport cu timpul, de exemplu: actiuni utile (datorate procesului de exploatare) de pe planseele si acoperisurile cladirilor, actiunea zapezii, actiunea vantului, impingerea pamantului, a fluidelor si a materialelor pulverulente si altele .

c. Actiuni accidentale (A) - intervin foarte rar, sau pot sa nu apara niciodata pe durata de serviciu a constructiei, dar atunci cand intervin au intensitati semnificative.

Se considera actiuni accidentale: cutremurul, impactul datorat ciocnirii autovehiculelor de elemente de constructii sau exploziile ;

6.2.2. Dupa natura raspunsului structural se pot clasifica in :

actiuni statice (nu provoaca forte de inertie pe structura si elementele sale structurale);

actiuni dinamice (provoca forte de inertie semnificative pe structura si elementele sale structurale).

6.3. Valori ale actiunilor

6.2.1. Valoarea caracteristica ale actiunilor (Fk)

Valoarea caracteristica este o valoarea reprezentativa a acestei si se poate determina astfel :

- pe baze deterministice, respectiv greutatea proprie a structurii calculata pe baza dimensiunilor nominale si a maselor unitare medii ;

- pe baze probabilistice, determinari statistice (este cazul actiunilor variabile ) ;

6.2.2. Valoarea de calcul a actiunilor

Valoarea de calcul este obtinuta din valoarea caracteristica prin multiplicarea acesteia utilizandu-se coeficientii partiali de siguranta, care sunt definiti diferentiat in functie de tipul actiunii (de exemplu, pentru actiuni permanente valoarea coeficientului de siguranta este egal cu 1,35 iar pentru actiuni variabile valoarea acestuia este egal cu 1,5).

6.3. Evaluarea actiunilor

6.3.1. Evaluarea actiunilor permanente ( G )

Greutatea proprie a elementelor de constructie, a pamantului sau a umpluturilor, se considera de regula ca sisteme de forte date, actionand static. Se reprezinta ca produsul dintre volum (V) si greutatea specifica nominala a materialului (Y):

G = V x Y [ N, daN, KN ]

In cazul planseelor (si uneori a peretilor) greutatea proprie se exprima pe metru patrat de element (daN/m˛, KN/m˛) ;

- pereti - plansee

G (perete) V x Y = d x Y + d x Y + d x Y [ daN/ m˛ ; KN/ m˛ ]

G (planseu) V x Y = d x Y + d x Y + d x Y + d x Y [daN/ m˛; KN/ m˛ ]

In care V = 1 x 1 x di , di fiind grosimea straturilor componente.

In cazul grinzilor greutatea proprie se exprima pe metru de lungime:
Ggrinda = V x Y = b x h x 1 x Y [ daN/m ; KN/m]

unde, b si h sunt dimensiunile sectiunii transversale care s-a considerat dreptunghiulara, pe o lungime de un metru.

Valoarea actiunilor determinate conform celor de mai sus reprezinta valoare caracteristica.

Grautatea specifica nominala a materialelor de constructie este precizata in SR EN 1991-1-1:2004 - ANEXA A (informativa).

Evaluarea actiunilor variabile ( Q ) - incarcari utile

Incarcarile utile pe cladiri sunt cele care rezulta din procesului de exploatare.

Valorile indicate in aceasta categorie includ:

- utilizarea normala de catre persoane;

- mobilier si obiecte deplasabile (de exemplu pereti despartitori nepermanenti, magazii, continutul containerelor) ;

- vehicule ;

- evenimente anticipate rare, ca si, concentrarile de persoane sau mobilier, sau miscarea sau stivuirea obiectelor care poate sa apara in timpul reorganizarii sau redecorarii.

Incarcarile utile pot sa fie reprezentate sub forma de incarcari uniform distribuite, incarcari liniare sau concentrate sau grupari ale acestor incarcari.

Pentru determinarea incarcarilor utile, planseele si acoperisurile sunt subdivizate in categorii dupa utilizarea lor (conform Tabel 6.1 ; 6.3; 6.7; 6.9; respectiv Tabelul 6.5 pentru clasa utilajului de ridicat.

Valorile caracteristice ale incarcarilor variabile - utile (din procesul de exploatare) tinand seama de subdivizarile in categoriile precizate in tabelele specificate mai sus, sunt precizate tot in SR EN 1991-1-1-1 :2004- tabel 6.2; 6.4; 6.8; 6.10; 6.11 si 6.12, respectiv tabelul 6.6. pentru incarcarile pe osie ale utilajelor de ridicat. Aseste date sunt in general stabilite pe baza de date statistice.

Greutatea peretilor despartitori mobili poate fi luata in considerare ca o incarcare uniform distribuita. Aceasta incarcare uniform distribuita depinde de greutatea proprie a peretelui despartitor dupa cum urmeaza:

- pentru pereti despartitori mobili cu greutatea proprie ≤1,0 kN/m din lungimea peretelui, incarcarea uniform distribuita va fi de : 0,50 kN/m

- pentru pereti despartitori mobili cu greutatea proprie ≤2,0 kN/m din lungimea peretelui, incarcarea uniform distribuita va fi de : 0,80 kN/m

- pentru pereti despartitori mobili cu greutatea proprie ≤3,0 kN/m din lungimea peretelui, incarcarea uniform distribuita va fi de : 1,2 kN/m

6.3.3. Evaluarea actiunilor variabile ( Q ) , datorate actiunii zapezii asupta constructiilor - cf. Cod de proiectare " Evaluarea actiunii zapezii asupra constructiilor " indicativ CR 1

Actiunea din zapada este o actiune statica, considerata ca actionand vertical, pe proiectia orizontala (m² ) a suprafetei acoperisului .

Actiunea vantului asupra zapezii are efect dublu : de spulberare si antrenare a zapezii (in general de pe portiunile mai inalte ale acoperisurilor cu pante mari), sau de aglomerare a zapezii, in zonele mai joase ale acoperisurilor denivelate.

Incarcarea din zapada pe acoperis, ia in considerare depunerea de zapada in functie de forma acoperisului si de distributia zapezii cauzata de vant si de topirea zapezii.

La proiectarea acoperisurilor se utilizeaza doua distributii ale incarcarii din zapada

incarcarea din zapada neaglomerata

incarcarea din zapada aglomerata ;

Incarcarea din zapada neaglomerata pe acoperis este incarcarea datorata depunerii naturale a zapezii pe acoperis, distribuita cvasiuniform si influentata doar de forma acoperisului. Acest tip de incarcare nu include redistribuirea zapezii datorita actiunii vantului si/sau topirii zapezii.

Incarcarea din zapada aglomerata pe acoperis este incarcarea datorata redistribuirii zapezii pe acoperis datorita actiunii vantului si/sau topirii zapezii.

Valoarea caracteristica a incarcarii din zapada pe acoperis, S _K se determina astfel

S _K = μ_i C_e . C_t s _{0,k ,}

In care :

_i este coeficientul de forma pentru incarcarea din zapada pe acoperis (este in functie de forma acoperisului - cu o panta, cu doua pante, acoperisuri cu mai multe deschideri, acoperisuri cilindrice etc. - conform codului de proiectare indicativ CR 1-1-3-2005 ) .

C_e - coeficientul de expunere al amplasamentului constructiei

Acest coeficient este functie de conditiile de expunere ale constructiei, valorile sale fiind recomandate in tabelul 2.1 din codului de proiectare indicativ CR 1-1-3-2005 .

C_t coeficientul termic ;

Pentru acoperisuri cu termoizolatii uzuale coeficientul termic este considerat 1,0.

s _0,k este valoarea caracteristica a incarcarii din zapada pe sol, stabilita pentru un interval mediu de recurenta de 50 de ani si avand 2% probabilitate de depasire intr-un an .

Valoarea caracteristica a incarcarii din zapada pe sol s _0,k in Romania este recomandata in harta de zonare din fig.2.1. al Codului CR 1-1-3-2005 . Harta este valabila doar pentru altitudini de pana la 1000 m ; peste altitudini mai mari de 1000 m , valorile caracteristice sunt date in acelasi cod , in tabelul 2.1.

Valoarea de calcul a efectului structural al incarcarii din zapada se determina prin utilizarea coeficienului partial de siguranta ,( valoarea acestui coefficient este de 1,5 ).

6.3.4. Evaluarea actiunii vantului

A. Notiuni generale

Evaluarea actiunii vantului asupra constructiilor se efectueaza conform " Cod de proiectare . Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului - Indicativ NP 082-04 ". Codul se refera la structuri si constructii curente (cu inaltimi si deschideri pana la 200 m si la elementele lor componente.

Vantul este un fenomen climatic (meteorologic) si reprezinta miscarea maselor de aer la suprafata pamantului.

Efectele vantului asupra constructiilor si structurilor depind de proprietatile vantului (viteza medie, caracteristicile turbulentei, etc), de forma, dimensiunile si orientarea constructiei (structurii) fata de directia vantului, de proprietatile dinamice ale structurii, de amplasamentul structurii in mediul natural si construit invecinat, etc.

Actiunea vantului este evaluata fie de presiunea vantului fie de fortele produse de vant pe constructii si structuri. Presiunile sau fortele din vant actionaza normal pe suprafata expusa. In anumite cazuri trebuiesc considerate suplimentar si fortele de frecare orizontale, tangentiale.

B. Presiunea vantului pe suprafete , W (z)

Presiunea vantului la inaltimea z deasupra terenului, pe suprafete rigide exterioare sau interioare ale structurii se determina cu relatia

W (z) = q _ref . c_e (z) . c_{p    ,}

Unde:

q _ref - este presiunea de referinta a vantului

Presiunea de referinta a vantului in Romania determinata din viteza de referinta mediata pe 10 minute si avand 50 ani intervalul de recurenta este indicat in Harta de zonare in ANEXA A , fig.A.2 si in tabelul A.2 din indicativ NP 082-04.

c_e (z) - reprezinta factorul de expunere la inaltimea z deasupra terenului si este produsul dintre factorul de rafala c _g (z) si factorul de rugozitate c_r (z) :

c_e (z) = c _g (z) . c _r (z)

Factorul de rugozitate si factorul de rafala sunt reprezentati in fig.1, respectiv fig.4 din cap.11 al indicativului NP 082-04.

c_p - coeficient aerodinamic de presiune (c_pe pentru suprafete exterioare si c_pi pentru suprafete interioare ) .

Coeficientii aerodinamicii depind de : geometria si dimensiunile constructiei, de unghiul de atac al vantului (pozitia relativa a corpului in curentul de aer), de categoria de rugozitate a suprafetei terenului la baza constructiei . In cap.12 al indicativului NP 082-04 se prezinta coeficientii aerodinamici pentru diferite tipuri de structuri.

C. Forta din vant F_W

Forta globala pe directia vantului, F_W , pe o arie de constructie de referinta orientata perpendicular pe directia vantului ( A _ref ), se determina cu urmatoarea relatie :

F_W = q _ref . c_e (z) . c_f . c _d . A _ref

Unde :

q _ref si c_e (z) - au fost definite mai sus ;

c_f - coeficient aerodinamic de forta, conf. Cap. 12 din NP 082-04

c_d - coeficientul de raspuns dinamic la vant al constructiei ( cap 14 si anexa B din NP 082-04 ) .

6.3.5. Actiuni accidentale- Actiunea seismica

Cutremurele reprezinta fenomene tectonice cu caracter violent, prilejuite de miscarea unor placi ale scoartei terestre in lungul faliilor existente sau cu ocazia formarii celor noi. In urma acumularii unor presiuni crescande, care ajung sa depaseasca capacitatea de rezistenta a rocilor, scoarta cedeaza . Are loc o rupere brusca, cu eliberarea unei cantitati uriase de energie, care se propaga sub forma unor unde de soc resimtite la sute de km.

Datorita neregularitatii planului de faliere, adesea cutremurele se manifesta prin mai multe socuri succesive.

Cutremurele mai pot avea drept cauza activitatea vulcanica, exploziile atomice subterane sau chiar anumite lucrari ingineresti cum ar fi crearea unor lacuri de acumulare prin prabusiri provocate a unor masivi muntosi, lucrari miniere etc.

Evaluarea intensitatii incarcarii din seism se face pe baza Normativului P100 /1-2006

6.4. Gruparea actiunilor pentru verificarea structurilor

Sunt doua grupari :

Gruparea actiunilor pentru verificarea structurilor la stari limita ultime

Vom avea urmatoarea grupare a efectelor actiunii asupra structurii