Introdcucere Proiectarea structurilor

I-1

1

1.1 INTRODUCERE

Energiile dezvoltate de forele naturii au schimbat i vor schimba n permanen

configuraiile planetei, oblignd omenirea s gseasc soluii care s-i permit s se adapteze la

aceste modificri. Cnd forele naturii sunt controlate de ctre om, acestea pot fi utilizate n

scopuri constructive, n caz contrar ele producnd dezastre naturale cum ar fi inundaiile,

vnturile puternice, zpezile abundente i seismele [Cimigiu, 1978]. Privind evolutia n timp a cldirilor, se observ c simultan cu dezvoltarea civilizaiei,

structurile de rezisten ale construciilor s-au adaptat permanent noilor cerine arhitectonice,

economice i funcionale, ajungndu-se n prezent la structuri suple i graioase obinute prin corecta amplasare a elementelor structurale, n deplin armonie cu soluia de arhitectur. Un

exemplu concludent al modului de concepie i realizare a primelor construcii l constitue marea

piramid a lui Gizeh (Fig. 1.1a) [Marino 1992], care gzduiete doar dou camere ntr-un masiv de piatr total neeconomic, dar sigur, n contradicie cu modul actual de concepie al cldirilor

moderne, care asigur obinerea unor spaii mari realizate cu o structur de rezisten zvelt i

uoar (Fig.1.1 b).

Curs 1 Proiectarea structurilor Actiuni. Tipuri de sisteme structurale

Note de curs an IV Facultatea de arhitectura

Dr.ing. Marius MOSOARCA pag.2

Multiplicarea, reproducerea si publicarea (inclusiv pe internet) a acestor note de curs fara acordul scris al autorului este strict interzisa

a) Seciune piramida Gizeh b)Seciune cldire nalt modern Figura 1. 1 Evoluia sistemelor structurale

Structura de rezisten a unei cldiri cu multe etaje este un sistem static spaial conceput de ctre inginerul proiectant, astfel nct s poat prelua i s transmit direct la fundaii efectele

ncrcrilor orizontale i verticale. Conlucrarea spaial este asigurat de elementele de rezisten

ce compun structura: stlpi, grinzi, perei, contravntuiri i n special de ctre planee, care

realizeaz aibe orizontale rigide n structura spaial. Alegerea structurii de rezisten corecte

pentru o construcie este un proces dificil, dar deosebit de important, deoarece greelile n faza de

concepie, conduc la un comportament deficitar al structurii de rezistenta, precum i la costuri

suplimentare.

Dei n prezent exist numeroase coduri i normative de proiectare seismic, care au fost

completate i actualizate permanent, se observ o cretere semnificativ a pierderilor financiare

datorit creterii rapide i necontrolate a urbanizrii n zonele seismice. O comparaie a

pierderilor nregistrate dup fiecare seism, evaluate n dolari SUA, este prezentat n figura 1.2

[Gioncu i Mazzolani, 2002].





Figura 1. 1 Pierderi nregistrate n urma seismelor

n urma prelucrrii i interpretrii informaiilor culese de ctre specialiti dup seismele devastatoare produse n ultimul timp la Northridge-S.U.A., 1994, Kobe-Japonia, 1995, Atena-

Grecia, 1999, Izmit-Turcia, 1999, Chi-Chi-Taiwan, 1999, s-a constatat c, n general, dei

pierderile de viei omeneti sunt n scdere, pierderile economice rmn foarte ridicate. Aceast

concluzie a determinat intrarea ntr-o nou faz a cercetrii i proiectrii seismice, faz care

urmrete protecia vieilor, ns cu limitarea pierderilor economice [Gioncu, 2002]. Dac pentru inginerii constructori, rspunsul structurilor la ncrcrile produse de vnt i

zpad a fost relativ uor de neles, comportarea structurilor solicitate de forele seismice a

nceput s fie studiat abia la nceputul secolului XX, ca urmare a dezvoltrii tiinei i

tehnologiei. Tot n aceast perioad au fost elaborate primele coduri. Pe baza acestor normative

de proiectare au fost construite cldiri din ce in ce mai nalte, capabile s reziste la fore

orizontale i verticale mari. n figura 1.3 sunt prezentate comparativ cele mai inalte cladiri din lume in anul 1880, iar in figurile 1.3, 1.4 si tabelul 1.1 sunt prezentate cldirile cele mai nalte

din lume, realizate deja sau aflate n stadiu de proiectare sau execuie [Mele, 2007].





Figura 1. 3 Cele mai inalte cladiri din lume in anul 1880

Tabelul 1.1 Cladiri inalte in lume

Nr.

crt.

Denumirea

cladirii

Orasul Tara Inaltimea Numar

etaje Anul

constructiei

1 Taipei 101 Taipei Taiwan 509 m 101 2004

2 Shanghai World

Financial Center

Shanghai China 492 m 101 2008

3 Petronas Tower 1 Kuala

Lumpur

Malaezia 452 88 1998

4 Petronas Tower 2 Kuala

Lumpur

Malaezia 452 88 1998

5 Sears Tower Chicago SUA 442 108 1973

6 Jin Mao Tower Shanghai China 421 88 1998

7 Two International

Finance Centre

Hong

Kong

Hong

Kong

415 88 2003

8 CITIC Plaza Guangzhou China 391 80 1997

9 Shun Hing Square Shenhzen China 384 69 1996

10 Empire State

Building

New York

City

USA 381 102 1931





Figura 1.4 Proiecte pentru cldiri nalte din lume pina in anul 2020





Figura 1.5 Poze cldiri nalte





1.2 PRINCIPIILE PROIECTARII STRUCTURILOR DE

REZISTENTA. ACTIUNI

Proiectarea structurilor de rezistenta este un proces complex realizat de catre ingineri, care

pe baza informatiilor furnizate de normative si activitatea de cercetare, reusesc sa identifice cele

mai eficiente elemente portante si sa le ansambleze intr-o structura de rezistenta care va fi

capabila sa preia toate actiunile si sa le transmita la terenul de fundare, fara avarii structurale

semnificative. Asa dupa cum se poate observa in figura 1.6 proiectarea structurilor se poate face

numai pe baza unei bune colaborari intre ingineri, arhitecti, autoritati si beneficiar inca din faza

de proiectare preliminara. Structura portanta rezultata trebuie sa satisfaca o serie de cerinte de

baza printre care cele mai importante sunt : estetice, de rezistenta structurala, functionale,

asigurarea durabilitatii, economice, etc.

Factorii principali care influeneaz alegerea tipului structurii de rezisten a cldirii sunt

prezentati in figura 1.6 [Chanakya, 2004]:

Figura 1.6 Factorii care influenteaza alegerea tipului de structura de rezistenta

Prin proiectarea structurilor de rezistenta, se urmaresta realizarea unei structuri portante

care sa satisfaca exigentele impuse de urmatoarele stari limita [Normativ CR-01-2005]:





a) Starea limita de serviciu. Cladirea proiectata trebuie sa asigure functionarea structurii sau a elementelor structurale in conditii normale de exploatare,

confortul oamenilor si sa limiteze vibratiile, deplasarile si deformatiile. Cel

mai concludent exemplu de cladire care nu satisface cerintele de mai sus il

constituie Turnul din Pisa prezentat in figura 1.7.

Fig. 1.7.a) Turnul din Pisa

b) Starea limita ultima, impune o proiectare structurala care sa asigure protectia vietii ocupantilor, a sigurantei structurii si a unor bunuri de valoare deosebita.

Impune si verificari impotriva:

- pierderii echilibrului intregii structuri sau a unor zone;

- dezvoltarii in structura a unor deformatii excesive care sa conduca la transformarea

intregii structuri sau unor zone in mecanisme ( fig. 1.7b); - pierderea stabilitatii locale sau generale a structurii ;

- cedarilor cauzate de alte efecte dependente de timp.

Fig. 1.7.b) Cladire in stare limita ultima (seism Christchurch, Noua Zeelanda, 2011)





Pentru a satisface toate acesta cerinte de baza, trebuie cunoscute:

- fortele care actioneaza asupra cladirilor;

- avantajele si dezavantajele tuturor elementelor si a materialelor ce le alcatuiesc; - modurile de cedare a elementelor portante luate separat sub diverse solicitari;

- modul in care aceste actiuni sint preluate de elementele portante si sunt transmise

sistemului structural;

- mecanismele de cedare ale sistemelor structurale;

- zonele care confera structurii rezistenta, ductilitatea, rigiditatea si stabilitatea necesara;

- modul de exploatare in timp a cladirii. Procesul de proiectare a structurilor insa este

influentat si de modul in care acesta cladire va fi exploatata in timp de catre beneficiar, deoarece

trebuiesc luate in calcul si anumite deteriorari ale elementelor portante care pot conduce la

avarierea grava a structurii.

Actiunile care se exercita asupra structurii de rezistenta se pot clasifica astfel:

I. Din punct de vedere a modului in care se exercita asupra structurii :

a) actiuni directe reprezentate de forte sau incarcari ce actioneaza asupra structurii reprezentate in figura 1.8;

Figura 1.8 Fortele directe care actioneaza asupra structurii





b) actiuni indirecte generate de acceleratii produse de seisme ( fig.1.9) sau alte surse, sau deformatii produse de variatii de temperatura (fig. 1.10), umiditate sau tasari diferentiate ale fundatiilor ( fig. 1.11).

Fig.1.9 Actiuni indirecte generate de seisme





Fig. 1.10 Avarii ale elementelor portante generate de variatii de temperatura





Fig. 1.11 Avarii generate de tasari ale fundatiilor

II. Din punct de vedere al duratei de solicitare, actiunile se clasifica astfel:

a) actiuni permanente a caror variatie in timp este aproape nula sau variaza foarte putin; b) actiuni variabile a caror variatie a parametrilor ce definesc intensitatea actiunii nu este nici monotona si nici nu se poate neglija (vint , zapada);

Fig 1.12. Actiunea vintului asupra unei constructii





c) actiuni accidentale caracterizate de durate scurte de actiune dar de intensitate ridicata care se pot inregistra cu o probabilitate redusa de aparitie in timpul

duratei de viata proiectate a constructiei. In acesta categorie se inscriu

cutremurul, tsunami ( fig.1.13), explozii ( fig.1.14) si impactul( fig.1.15);

Fig.1.13 Producerea valurilor seismice si reprezentari a actiunii acestora

Modul de actiune a exploziilor produse in exteriorul cladirii asupra structurii sunt

explicate de normativul American FEMA. In prima etapa presiunea exercitata asupra suprafetei

exterioare sparge geamurile si peretii exteriori, putind avaria stilpii. In etapa imediat urmatoare,

presiunea actioneaza perpendicular de jos in sus asupra planseelor deformindu-le prin incovoiere, pentru ca in ultimul stadiu cind presiunea actioneaza asupra intregii cladiri sau exercite forte

verticale de sus in jos asupra ultimului planseu si orizontale contrare ca sens directie de explozie asupra celeilalte fatade. In figura 1.14 a) este prezentat in mod grafic acest mod de actiune. In figura 1.14b) este prezentat Sediul Guvernului Federal SUA din orasul Oklahoma dupa atacul





terorist cu masina capcana din anul 1995, iar in figura 1.14c) avariile suferite de structura de rezistenta dupa atacul terorist de la hotelul Resort, Nevada, SUA.

a) b)

c)

Fig.1.14 Modul de actiune si efectele exploziilor





Fig 1.15 Exemple impact

d) actiuni seismice, generate de miscari ale terenului, cauzate de cutremure; e) actiuni geotehnice, transmise structurii de pamint sau apa subterana

Fig. 1.16 Actiuni transmise structurii de pamint

Din punct de vedere al modului de aplicatie a fortelor, actiunile pot fi:

a) actiuni fixe sau libere pe structura. Ele se pot exercita avind distributii si pozitii fixe sau in orice punct pe structura de rezistenta.

b) actiuni dinamice care genereaza forte de inertie semnificative in structura si in elementele sale structurale( fig.1.17);

Fig. 1.17 Actiuni dinamice care genereaza forte de inertie semnificative in structura





c) actiuni cvasistatice. Sunt actiuni dinamice reprezentate prin actiuni statice echivalente.

Fig. 1.18 Actiuni cvasistatice

Dupa variatia in timp actiunile pot fi clasificate astfel:

a) actiuni permanente : greutatea proprie a constructiei, a echipamentului, contractia betonului, tasari diferentiate, precomprimari;

b) actiuni variabile in timp cum sunt actiuni pe plansee si acoperisuri, actiunea zapezii, actiunea vintului, actiunea prafului, impingerea pamintului ( fig.1.19) si a fluidelor;

Fig.1.19 Actiuni asupra constructiilor produse de impingerea pamintului

d) actiuni accidentale cum sunt cele produse de cutremur, explozii,impactul vehiculelor, focul ( fig.1.20);





Fig.1.20 Actiunea focului. Moduri de cedare a structurii de rezistenta

Pe baza cunoasterii acestor informatii, va rezulta tipul structurii de rezistenta care va fi

putin vulnerabila la hazardurile considerate si capabila sa evite cedarile fara avertisment. Sigur se





se pot impune alte sisteme structurale insa ineficienta acestora va conduce in mod nejustificat la cresterea volumului investitiei si a duratei de executie.

Un rol deosebit de important in proiectarea structurilor il constituie faza de detaliere a

elementelor structurale. Impreuna cu arhitectii, inginerii trebuie printr-o buna coordonare, sa

aleaga cele mai eficiente detalii constructive care sa poata fi realizate usor in santier, sa satisfaca

cerintele de executie, fara a afecta nivelul de siguranta structurala a cladirii impuse in faza de

proiectare.

1.3 TIPURI DE STRUCTURI DE REZISTENTA.

In prezent, cercetrile stiintifice efectuate asupra comportrii la actiuni combinate a

diverselor incarcari si a inregistrarilor rezultate dupa actiuni importante asupra cladirilor, au

indicat faptul ca print-o corecta amplasare a elementelor portante in planul si elevatia cladirii,

acestea asigura structurii un grad inalt de stabilitate, rezistenta, rigiditate si capacitate de disipare

a energiei seismice. In figura 1.21 sunt prezentate principalele tipuri de structuri de rezistenta

utilizate la cladiri in functie de numarul de nivele la care incarcarile orizontale si verticale sunt

preluate de structuri de rezistenta dispuse in interiorul cladirii (tuburi), si in exteriorul cladirii (figura 1.22).





Figura 1.21 Sisteme structurale care preiau incarcarile prin elemente portante dispuse in interiorul cladirii





Figura 1.22 Sisteme structurale care preiau incarcarile prin elemente portante dispuse pe exteriorul cladirii

Documents

Introdcucere Proiectarea structurilor