REABILITAREA STRUCTURILOR DE BETON ARMAT

1 ASPECTE INTRODUCTIVE

Fenomenul de degradare a clădirilor este complex datorită numeroşilor factori care intervin şi a interconexiunilor dintre aceştia. Factorii de risc de origine naturală (cum sunt soarele, precipitaŃiile, ciclurile îngheŃ-dezgheŃ etc.) sunt însoŃiŃi de poluare (care induce coroziunea sau acŃionează prin eroziune), deprecieri ale terenului de fundare (lichefieri locale, formarea de pungi etc.), evoluŃii ale sistemului de acŃiuni mecanice (de exemplu intensificări ale traficului greu în perimetrul de incidenŃă) care conduc la o degradare accelerată, dar totuşi într-o durată relativ mare de timp.

Un impact mult mai dramatic asupra clădirilor îl au acŃiunile accidentale sau speciale, cum sunt acŃiunea focului (incendiile) şi/sau exploziile, respectiv cuitremurele şi în unele situaŃii speciale vânturile puternice.

Factorul uman este şi el major de risc pentru clădiri. Pe lângă aspectele subiective care presupun reaua intenŃia (atacuri teroriste, incendii provocate etc.), acesta intervine prin toate cele patru componente vitale pentru exploatarea unei clădiri: cadrul tehnic legislativ proiectarea, execuŃia şi administrarea.

LegislaŃia tehnică care stă la baza construcŃiei de clădiri este evolutivă, fiind raportată nivelului de cunoaştere. Având în vedere tendinŃa de promovare a calităŃii în condiŃiile asigurării durabilităŃii adecvate, evoluŃia legislativă aceasta adeseori conduce la necesitatea impunerii unor nivele de siguranŃă mai mari, adaptări la acŃiuni etalonate cu valori superioare etc., care se materializează în necesitatea unor intervenŃii.

La ora actuală, majoritatea factorilor de risc privind degradarea construcŃiilor pot fi controlaŃi din faza de proiectare. ProiectanŃii deŃin mijloacele specifice (modele matematice şi fizice, reŃete de betoane speciale, protecŃii etc.) prin care pot garanta o durabilitate, şi în consecinŃă o durată de exploatare rezonabilă, corelată cu specificul fiecărei clădiri şi funcŃiuni. Cu toate acestea, în prezent necesitatea intervenŃiilor nu se datorează erorilor de proiectare (care merg de la concepŃia greşită până la greşeli de calcul şi cel mai adesea la insuficienta detaliere a proiectelor de execuŃie), ci nivelelor de cunoaştere şi educaŃie tehnică existente în momentul proiectării unei clădiri. Având în vedere duratele mari de exploatare a clădirilor, în prezent una din priorităŃiile activităŃii în construcŃii este conservarea patrimoniului construit existent, a cărui vechime poate merge până la câteva sute de ani. Betonului armat este curent utilizat ca şi material de construcŃie după anul 1900, până atunci lucrările având un rol de pionierat.

În execuŃie, utilizarea tehnologiilor neadecvate adeseori conduc la o compactare necorespunzătoare a betonului, nerespectarea sistemului de toleranŃe, poziŃionări greşite de armături etc. Punerea în operă a unor materiale cu proprietăŃi necorespunzătoare şi improvizaŃiile sunt şi premise pentru o degradare structurală accelerată.

Adesea factorul administrativ (proprietarul) conduce la necesitatea unor lucrări de reabilitare încă din momentul planificării investiŃiei, prin insuficienta detaliere a temei de proiectare. În exploatare, inexistenŃa unui plan de lucrări de întreŃinere şi reparaŃii şi/sau nealocarea bugetelor aferente acestora este sursa primară pentru o degradare în regim accelerat. De asemenea, lipsa monitorizării (neefectuarea inspecŃiilor tehnice) conduce la nesesizarea unor degradări în fază incipientă şi în

consecinŃă neefectuarea la timp a unor lucrări de reparaŃii, în final fiind necesare lucrări de reabilitare mult mai costisitoare. Din punct de vedere administrativ există însă şi o cauză obiectivă care argumentează deciziile de intervenŃie, cum ar fi schimbarea parŃială sau totală a funcŃiunii unei clădiri.

2 DEGRADAREA PROGRESIVĂ A STRUCTURILOR DE B.A.

Degradarea în timp în regim progresiv accelerat a structurilor de beton armat are loc datorită următoarelor cauze: � coroziunea armăturii din oŃel (fenomen de natură electrochimică, datorită carbonatării şi/sau penetrării ionilor de clor); � degradarea betonului (chimică şi biologică); � oboseala (fenomen înregistrat la infrastructura transporturilor şi căile de rulare); � vibraŃii şi abraziune (eroziune).

2.1 Coroziunea armăturii din oŃel

2.1.1 Mecanismele coroziunii

Coroziunea oŃelului este un proces natural, fiind consecinŃa reacŃiei sale cu mediul înconjurător. În stare naturală, majoritatea metalelor se prezintă sub formă de oxizi, stabili din punct de vedere chimic. În contact cu oxigenul sau alŃi agenŃi oxidanŃi, metalele tind să se reîntoarcă la starea lor naturală de oxizi, dând naştere la produse care pentru oŃel sunt cunoscute sub denumirea de rugină. Energia indusă în timpul proceselor de fabricaŃie asigură suportul necesar fenomenului de propagare a coroziunii.

Coroziunea oŃelului înglobat în beton este un proces de natură electrochimică, implicând transferul sarcinilor electrice (electronilor) dintr-un material în altul. Pentru ca să apară o reacŃie electrochimică (în absenŃa unei surse electrice externe), trebuie să existe două reacŃii: � o reacŃie capabilă să genereze electroni (reacŃie anodică): oxidarea fierului, care conduce la formarea ionilor de fier; � şi o reacŃie capabilă să consume electronii (reacŃie catodică): reducerea oxigenului pentru formarea ionilor de hidroxid (OH−).

Când cele două reacŃii (focarele de coroziune) apar în locuri separate la distanŃă mare, ele sunt numite macrocelule; iar când apar alăturat sau practic în acelaşi loc, ele se numesc microcelule. Astfel, pentru oŃelul înglobat în beton, reacŃiile anodice implică oxidarea sau disoluŃia fierului, adică:

Fe→Fe++ + 2e− (2.1.a) 2Fe++ + 4OH− → 2Fe(OH)2 (2.1.b)

2Fe(OH)2 + 1/2O2 → 2FeOOH + H2O (2.1.c) Fe + OH− + H2O → HFeO2

− + H2 (2.1.d) ReacŃiile catodice cele mai probabile sunt:

2H2O + O2 + 4e− → 4(OH) − (2.2)

2H+ + 2e− → H2 (2.3) Într-un caz particular, tipul de reacŃie care va avea loc (anodică sau catodică) va depinde de cantitatea de oxigen prezentă şi de pH-ul soluŃiei pastei de ciment din apropierea oŃelului. Pentru un beton compact (sănătos), pH-ul soluŃiei interstiŃiale este în domeniul 13.0 la 13.5, domeniu în care reacŃiile anodice (2.1.a) şi (2.1.b) au cea mai mare

probabilitate de a se produce. În absenŃa oricăror alŃi factori, oxizii de fier Fe2O4 şi Fe2O3, sau hidroxizi ai acestor componenŃi, se vor forma ca faze solide şi vor produce o peliculă de protecŃie pe suprafaŃa oŃelului (fenomen numit pasivizare). Dacă pH-ul soluŃiei interstiŃiale este redus (de exemplu de carbonatare sau de o reacŃie puzzolanică) aceşti oxizi nu formează un strat de protecŃie şi este posibilă disoluŃia activă. Teoretic, coroziunea activă poate fi de asemenea indusă mărind pH-ul la o valoare la care are loc reacŃia (2.1.d) şi pentru care HFeO2

− este un produs termodinamic stabil. ReacŃia (2.1.c) poate de asemenea avea loc la un pH normal al betonului la temperaturi înalte (>60 °C). DiferenŃa de potenŃial electric dintre armăturile din oŃel înglobate în beton (chiar şi între zone ale aceleiaşi bare) conduce la formarea curentului continuu a cărui propagare este asigurată de betonul înconjurător (mediu electrolitic). Datorită transferului de electroni dinspre anod spre catod, armătura anodică suferă un proces de fragilizare şi laminare. De asemenea, are loc o creştere de volum a armăturii din oŃel, de până la circa 6 ori, în funcŃie de tipul reacŃiei şi a compuşilor rezultaŃi, aşa cum se arată în Figura 2.1.

0 1 2 3 4 5 6 7 volumul

Fe(OH)3+3H2O

Fe(OH)3

Fe(OH)2

Fe2O3

Fe3O4

FeO

Fe

Fig. 2.1 Creşterea în volum a produşilor coroziunii

2.1.2 Fenomene care provoacă coroziunea

Carbonatarea betonului Prin carbonatare se înŃelege fenomenul de neutralizare a betonului prin reacŃia

dintre componenŃii alcalini ai pastei de ciment şi dioxidul de carbon (CO2) din atmosferă. Deoarece reacŃia se dezvoltă în soluŃie, primul indiciu al carbonatării este o scădere a pH-ului în soluŃia interstiŃială la valori sub 9, nivel la care pelicula pasivă de pe oŃel nu este stabilă. Carbonatarea se manifestă în principal în straturile superficiale ale betonului. Când însă carbonatarea de la suprafaŃă se extinde până la armătură, poate să apară depasivizarea generală pe zone largi sau pe întreaga suprafaŃă a oŃelului şi poate începe coroziunea generală. Rata de carbonatare în betonul compact (sănătos/robust) este în general mică. Totuşi, betonul situat în sau în apropierea zonelor industriale poate să prezinte rate mai mari de carbonatare datorită creşterii concentraŃiei de CO2 în aceste medii. În condiŃii naturale, concentraŃia CO2 în aer este de circa 0.03%; în oraşe şi poate creşte de maximum 10 ori, dar în zonele industriale poate fi de 100 ori mai mare decât nivele proprii mediului natural. Penetrarea gazelor este mai mare la umidităŃi relative scăzute, dar reacŃia între

CO2 şi pasta de ciment are loc în soluŃie şi este mai mare la umidităŃi ridicate. De aceea, cel mai agresiv mediu pentru neutralizare va fi cel al ciclurilor alternante umed-uscat la temperaturi mari. În condiŃii constante, un mediu cu umiditate relativă de 60% este cel mai favorabil pentru carbonatare. AlŃi trei factori majori care influenŃează duratele de iniŃiere a coroziunii indusă prin carbonatare sunt: stratul de acoperire cu beton, starea de fisurare, porozitatea mare asociată cu un conŃinut scăzut de ciment şi un factor apă/ciment mare.

Un efect secundar al carbonatării este că reduce porozitatea betonului, reducând astfel permeabilitatea şi crescând rezistenŃele betonului.

Penetrarea ionilor de clor în masa betonului Atât concentrarea pe suprafaŃă cât şi transportul ionilor de clor sunt fenomene

în strânsă legătură cu migraŃia umidităŃii în masa betonului, cu temperatura sa, natura eforturilor şi nivelul stării de solicitare, precum şi compoziŃia betonului. Transportul ionilor de clor în masa betonului are loc prin difuzie. Când se ajunge la o anumită concentraŃie a ionilor de clor în masa betonului, se iniŃează procesul de degradare prin depasivizarea armăturii active şi/sau pasive. Odată atinsă concentraŃia critică de ioni de clor în masa betonului, în contact cu oŃelul aceştia distrug local pelicula protectoare creată de factorul pH mare al betonului, fenomen cunoscut sub denumirea de depasivizare. PrezenŃa umidităŃii şi a oxigenului (în fisuri) în aceste zone conduce la apariŃia şi extinderea focarelor de coroziune în armăturile active şi/sau pasive. Deoarece concentraŃia ionilor de clor este variabilă în masa de beton a elementului, se crează de asemenea condiŃiile pentru iniŃierea coroziunii electrochimice. DiferenŃa de potenŃial electric dintre armăturile de oŃel înconjurate de o concentraŃie mare de ioni de clor (anod) şi cele aflate într-un volum cu o concentraŃie redusă de ioni de clor (catod) conduce la formarea unui curent electric continuu a cărui propagare este asigurată de betonul înconjurător (mediu electrolitic), aşa cum se pune în evidenŃă în Figura 2.2.

Cl- Cl-

Cl-Cl-

Cl-

Cl-Cl-Cl- Cl-

Cl- Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

curent discontinuu

zonă pasivă (catod)

zonă pasivă (catod)

focar coroziune (anod)

Cl-Cl- Cl-

Cl-

Cl-Cl-Cl-

Cl-

Cl-

curent discontinuu

zonă pasivă (catod)

focar coroziune (anod)

Fig. 2.2 Coroziunea electrochimică a armăturii în prezenŃa Cl−

Valorile critice ale concentraŃiei de ioni (la care începe procesul de depasivizare a oŃelului beton) în masa de betonului sunt de circa 0.6-1.5 kg/m3 (0.36-0.45 % Cl−/ciment). ProvenienŃa ionilor de clor este diversă, fenomenul fiind în strânsă legătură cu aceasta. Există în principal trei surse principale: � clorul din compuşii specifici mediului industrial (HCl, Ca Cl2 etc.); � clorurile din mediului marin (zonele de coastă, flux-reflux şi submersă); � clorul înglobat în aditivii betonului: utilizarea CaCl2 ca şi accelerator de priză conduce la scăderea pH-ului betonului; alŃi aditivi însă, pe bază de NaCl şi KCl au tendinŃa de a ridica factorul pH.

AcŃiunea combinată a ionilor de clor şi a carbonatării ConŃinutul în ioni de clor la suprafaŃa betonului atinge valori mai mari decât în

cazul betonului necarbonatat şi poate fi mult mai mare decât nivelurile măsurate imediat sub suprafaŃa betonului. Astfel creşte riscul de iniŃiere a coroziunii când adâncimea de carbonatare ajunge la armătură. Deşi carbonatarea măreşte compactitatea betonului, scăderea pH-ului betonului carbonatat măreşte riscul coroziunii deoarece valoarea limită a concentraŃiei de cloruri necesară pentru iniŃierea coroziunii scade deoarece clorurile de aluminiu se distrug, eliberând clorurile legate.

2.1.3 Degradarea prin coroziune a elementelor de b.a.

Fenomenul de degradare datorită coroziunii este neliniar, evoluŃia sa fiind mult influenŃată şi de starea de eforturi şi deformaŃii din exploatare (Figura 2.3).

Timp

De

gra

dare

incu

baŃie

prop

aga

re pr

opa

gare

prop

aga

re în

târz

iată

iniŃi

ere

incu

baŃie

cedare

dislocare

fisurare

elemente fisurate

elemente nefisurate

depasivare

Fig. 2.3 Degradarea prin coroziune a elementelor de beton armat

La elementele de beton armat nefisurate, perioada de incubaŃie se extinde până se atinge concentraŃia critică a ionilor de clor în dreptul armăturii şi/sau carbonatarea se extinde până în dreptul armăturii, fiind astfel create condiŃiile depasivizare. După aceasta, are loc o etapă progresivă de propagare. În cazul elementelor fisurate, iniŃierea mai timpurie este urmată de o propagare întârziată de produşii coroziunii oŃelului, care tind să repasivizeze armătura.

Prin creşterea în volum a armăturii din oŃel datorită coroziunii se crează o presiune radială asupra betonului imediat înconjurător. Această presiune conduce la apariŃia locală a eforturilor de întindere şi apariŃia microfisurilor în beton. Propagarea acestor microfisuri se materializează în cele din urmă în macrofisurarea elementului de beton precomprimat, precum şi la dislocări locale ale stratului de acoperire cu beton, aşa cum se pune în evidenŃă în Figura 2.4, în continuare fenomenul de degradare având loc în regim accelerat.

Fig. 2.4 Fisurarea şi dislocarea betonului în zona barei corodate

Cedarea prematură a elementelor are loc prin depăşirea capacităŃii portante în secŃiunile critice datorită reducerii secŃiunii armăturii active şi/sau pasive, asociată cu pierderea de aderenŃă dintre armătură şi beton. Cedarea este precedată sau un de redistribuiri ale eforturilor interioare.

2.2 Degradarea chimică şi biologică a betonului

Deterioararea chimică a betonului, se datorează: � reacŃiilor acizilor, sărurilor de magneziu şi a apei fără duritate cu piatra de ciment; � reacŃiilor sulfaŃilor cu aluminaŃii din beton; � reacŃiilor bazelor (alcaliilor) cu agregatele reactive din beton.

ReacŃia între anumite săruri de amoniu şi beton este recunoscută de mult ca fiind potenŃial agresivă, clorura, fosfatul, sulfatul sulfitul si bicarbonatul de amoniu fiind considerate cele mai nocive în timp ce carbonatul de amoniu, oxalatul şi fluorura fiind considerate ne nocive. Sulfatul de amoniu şi nitratul de amoniu sunt de obicei considerate cele mai agresive săruri de amoniu. Eroziunea betonului se produce în principa; datorită acidităŃii, datorată în principal dioxidului de sulf (SO2). Umiditatea aerului şi regimul de precipitaŃii joacă şi ele un rol foarte important asupra evoluŃiei fenomenului. AlŃi factori importanŃi sunt ozonul şi praful. Deteriorarea biologică a betonului are loc: � sub acŃiunea vegetaŃiei care creşte pe elementele structurale sau în vecinătatea lor; aceasta reŃine apa pe suprafaŃa betonului, conducând la saturaŃia betonului; de asemenea pătrund în beton prin fisuri şi exercită forŃe de despicare; � sub acŃiunea microorganismelor, care produc acidul humic şi care dizolvă piatra de ciment.

2.3 Degradarea prin oboseală

ApariŃia fenomenului de obosealã dinamică a betonului este dependentã în primul rând de amplitudinea oscilaŃiilor acŃiunilor. Pentru un efort minim σbmin, rezistenŃa la obosealã dupã 2×106 cicluri σbmax, în funcŃie de efortul unitar mediu σbm=1/2(σbmin+σbmax) este reprezentatã în Figura 2.5. Analizând această diagramă se observă că rezistenŃa la oboseală prin compresiune pentru σbmin=0 reprezintă 0.6Rc. Dacă σbmin=0.5 Rc, domeniul încărcărilor oscilante reprezintă circa 0.3 Rc. Raporturile se menŃin şi în cazul rezistenŃei la întindere. Durata de viaŃă a betoanelor obişnuite solicitate de eforturi care produc apariŃia fenomenului de oboseală la betoane obişnuite se stabileşte printr-o relaŃie cu variaŃie logaritmică de forma:

lg N = C(1-Rbmax

c

σ) (2.4)

unde: N - durata de viaŃă la oboseală, exprimată în numărul de cicluri; C - constantă a cărui valoare este în funcŃie de nivelul minim de solicitare al betonului σbmin / Rc; Rc- rezistenŃa de calcul la compresiune a betonului; σbmin, σbmax - eforturile unitare maxime şi minime în fibra extremă comprimată. Pe fondul scăderii proprietăŃilor de rezistenŃă ale materialelor, degradarea prin oboseala indusă este de regulă accelerată datorită ruperii unor armături active sau

pasive (care prezintă vicii de execuŃie), în final elementul pierzându-şi capacitatea portantă.

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.3

σbmin/Rc, σbmax/Rc

σbm/Rc

σ bmax/Rc

σ bmin/R

c

Fig. 2.5 RezistenŃa la oboseală a betonului

2.4 InfluenŃa vibraŃiilor

În exploatare, structurile din beton armat sunt expuse la un regim de solicitare mult diferit de cel modelat prin metodele curente de proiectare. Practic, o structură este solicitată permanenŃă la un regim de sarcini variabil, chiar dacă evoluŃia acestuia este insesizabilă pentru un raportor static. Astfel, în elementele structurale au loc în permanenŃă deplasări mici şi oscilaŃii variabile ca extindere şi cu amplitudini foarte mici.

Studii recente ale „tribologiei", ştiinŃa frecării, au înlocuit termenul de frecare cu alte două noŃiuni: „deplasări mici" şi „oboseala indusă de deplasările mici". Ele pun în evidenŃă apariŃia la suprafaŃa de contact dintre două corpuri animate de mici deplasări (de ordinul micronilor), a unui al „treilea corp". Acest corp intermediar este responsabil pentru comportamentul particular al acestui tip de contact (Figura 2.6).

deplasări mici

corpul I

corpul II

corpul III (particule provenite din coroziune)

Fig. 2.6 Contactul intim între două corpuri

Plecând de la aceste observaŃii, rezultă că într-o structură de beton armat apare un proces de degradare cu o evoluŃie foarte lentă în timp, dar care se manifestă în principal în zonele de contact de tipul metal-metal, dar chiar şi în masa betonului propriu-zi. În asociere şi cu o serie de fenomene chimice (interne) sau fizice (expunere la precipitaŃii, variaŃii de temperatură, abraziune etc.) se înregistrează un

proces de îmbătrânire, proprietăŃile mecanice ale materialelor reducându-se şi în final elementul pierzându-şi nivelul de siguranŃă şi capacitatea portantă. Durata acestui proces se raportează în principal calităŃii ini Ńiale a materialelor şi compoziŃiei lor, dar şi regimului de solicitare.

3 DEGRADAREA ACCIDENTALĂ A STRUCTURILOR DE B.A.

Cauzalitatea degradării accidentale a clădirilor în general este vastă. Aşa cum se pune în evidenŃă prin graficul din Figura 3.1, un factor de risc în creştere spectaculoasă în această perioadă este cel datorat exploziilor (număr relativ mic de incidente dar cu o valoare financiară foarte mare), expresie a fenomenului terorist înregistrat în domeniul politicului.

incendii seisme defecŃiuni echipamente

vânt defecŃiuni instalaŃii PSI

explozii trăznete materiale incandescente

incidente

USD

Riscul de asigurare (media ultimilor 3 ani în SUA)

Fig. 3.1 Statistică din sectorul asigurărilor în construcŃii din S.U.A.

În timpul incendiilor, betonul armat este considerat unul din materialele cele mai rezistente la foc pentru alcătuiri structurale obişnuite. Betonul afectat datorită temperaturii excesive suferă degradări prin exfoliere şi despicare. La exfolierea betonului cauzată de foc, armătura poate să fie descoperită şi datorită supraîncălzirii va pierde din rezistenŃă. Despicarea poate să apară când umezeala din interiorul betonului creşte în volum şi produce fisurarea şi expulzarea unor bucăŃi de beton. De asemenea despicarea poate să apară datorită dilatării termice a suprafeŃei exterioare de contact comprimat, ca de exemplu la stâlpi, pereŃi sau elemente structurale precomprimate.

Efectul temperaturii ridicate asupra rezistenŃei betonului (vezi Figura 3.2) este mică şi este neregulată sub 250 oC, doar peste 300 oC se pot pune în evidenŃă pierderi de rezistenŃă măsurabile. Betonul supraîncălzit datorită unui incendiu al clădirii suferă o pirdere a rezistenŃei la compresiune care continuă să scadă şi în cursul răcirii. Când temperatura nu depăşeşte 300 oC în mare măsură rezistenŃa se restabileşte. Betonul încălzit la o temperatură sub 500 oC se rehidratează în cursul răcirii şi treptat redobândeşte o mare parte a rezistenŃei. După aproximativ un an, rezistenŃa se recuperează în jur de 90%.

120

100

80

60

40

20

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Rc(T)/Rc(20 °C)

(%)

T (°C)

Rc(20 °C)=106,6 MPaRc(20 °C)=91,6 MPaRc(20 °C)=84,5 MPaRc(20 °C)=32,9 MPa

Fig. 3.2 EvoluŃia rezistenŃei la compresiune uniaxială a betonului cu temperatura

Orice oŃel expus încălzirii începe să prezinte o reducere semnificativă de rezistenŃă începând cu temperatura de 300 oC. În cazul în care armăturile profilate la cald au fost expuse o perioadă îndelungată la o temperatura de peste 600 oC, datorită unei premature exfolieri a betonului de acoperire, posibilitatea unei reduceri constante de rezistenŃă este mică. Armăturile formate la rece încălzite peste 400 oC pierd o proporŃie cuantificabilă de rezistenŃă din cea obŃinută prin formarea la rece (ecruisare). OŃelurile pentru betonul precomprimat pierd aproximativ 20 % din rezistenŃă la circa 300 oC şi nu revin la rezistenŃa lor iniŃială în timpul răcirii.

Elementele de beton armat static determinate se pot deforma liber sub acŃiunea focului. Sub acŃiunea focului partea inferioară a elementului expusă la foc se dilată mai mult decât partea superioară rezultând o curbare a elementului. RezistenŃa la întindere a betonului şi a armăturii din partea inferioară a secŃiunii, expusă la foc, scade odată cu creşterea temperaturii. Atunci când rezistenŃa oŃelului sub efectul temperaturii ridicate scade până la valoarea efortului din armătură datorat încărcărilor exterioare se produce cedarea. La elementele static nedeterminate cedarea este precedată de redistribuiri ale eforturilor atât la nivelul întregii structuri cât şi în masa elementului datorită variaŃiei de rigiditate şi a deformaŃiilor împiedicate.

Seismele au un caracter brusc, neaşteptat şi au o durată foarte redusă. Avarierile înregistrate cu această ocazie pun în evidenŃă greşeli de concepŃie şi execuŃie şi nu de puŃine ori intervenŃii neautorizate efectuate asupra clădirii de persoane necompetente, datorită unei administrări defectuoase. În proiectare, adesea nu se consideră corect variaŃia rigidităŃii structurii atât în plan orizontal (vezi Figura 3.3) cât şi vertical, precum nu se concepe o ductilizare corespunzătoare a structurii şi elementelor. Greşelile de execuŃie se materializează prin punerea în operă a unor materiale necorespunzătoare calitativ, vibrări neadecvate şi nerespectarea toleranŃelor geometrice de execuŃie.

Fig. 3.3 Excentricitatea între centrele de inerŃie şi rigiditate pe nivel

Efectele unei explozii se propagă radial în raport cu focarul său, fiind afectate direct o parte din elementele structurale, iar indirect întreaga structură a clădirii. În principal, se pot remarca 3 tipuri de acŃiune asupra unei clădiri: � într-o primă fază sunt afectate închiderile; � în a doua fază, se exercită acŃiuni verticale asupra planşeelor şi structurii portante (Figura 3.4.a); � în ultima fază se exercită o acŃiune laterală importantă asupra elementelor de rigidizare ale clădirii (Figura 3.4.b).

a. b.

Fig. 3.4 Efecte ale axploziilor asupra elementelor structurale

Alte cauze de degradare accidentală Ńin de specificul funcŃional şi condiŃiile de exploiatare, care adesea sunt necorespunzătoare.

4 CONSOLIDAREA STRUCTURILOR DE B.A.

În cazul degradărilor şi avariilor de importanŃă redusă, cum este de exemplu o funcŃionare în exploatare cu o stare de fisurare mai pronunŃată decât cea admisibilă, continuitatea elementelor structurale poate fi restabilită prin injectare cu lapte de ciment sau răşini epoxidice, executată după o prelucrare prealabilă a suprafeŃelor. În cazul degradărilor şi avariilor importante, consolidarea structurii se poate face fie păstrând acceaşi schemă statică şi de distribuŃie a eforturilor (consolidând elementele structurale), fie prin introducerea unor elemente structurale noi (diafragme, bare, tiranŃi etc.) rezultând în final redistribuiri de eforturi. Evident, la lucrările complexe se pot utiliza ambele concepte. Metodele principale de consolidare a elementelor de beton armat sunt: � prin utilizarea aceloraşi materiale cu ale structurii de bază (beton şi armătură) dispuse în straturi şi/sau cămăşuiri); � prin adăugarea unor elemente metalice care să conlucreze cu elementul consolidat şi să preia o parte din eforturi; � prin adăugarea unor elemente de tipul Ńesăturilor (uni sau bidirecŃionale) sau armăturilor din fibre compozite (pe bază de fibre de carbon, sticlă sau polimeri asamblate într-o matrice de răşină epoxidică) care să conlucreze cu elementul consolidat şi să preia o parte din eforturi, sau prin confinarea betonului cu Ńesături; � prin prevederea unor cabluri pretensionate având trasee exterioare secŃiunii propriu-zise elementului consilidat. Consolidarea structurilor avariate se va face în funcŃie de cauza, natura, intensitatea şi amploarea degradării sau avariei. Aşa cum se pune în evidenŃă în Figura

4.1, soluŃia de consolidare trebuie să fie consecinŃa unui demers având ca temei optimizarea costurilor atât de reabilitare propriu-zise cât şi a costurilor ulterioare legate de întreŃinere şi reparaŃii, în condiŃiile asigurării în continuare a unui durate de serviciu şi a unui risc în exploatare acceptabile.

costuri

Co

stur

i re

abi

litar

e şi î

ntr

eŃin

ere

Vu

lne

rab

ilita

te

Parametrii de proiectare

vulnerabilitate

Proiectare optimală

Fig. 4.1 Efecte ale axploziilor asupra elementelor structurale

4.1 Metode de consolidare

Plăcile planşeelor pot fi consolidate prin: � turnarea unui strat nou de beton armat corespunzător (Figura 4.2), turnat fie la partea superioară, fie la partea inferioară (prin torcretare minimum 2 cm);

Fig. 4.2 Consolidarea plăcilor prin suprabetonare sau torcretare

� în unele situaŃii este avantajos să se compenseze parŃial sarcinile gravitaŃionale cu tendoanele exterioare, deosebit de eficiente; sunt recomandate traseele rectilinii, care pot fi acoperite cu unităŃi de pretensionare de tipul barelor sau toroanelor individuale;

Fig. 4.3 Consolidarea placilor de beton armat cu tendoane exterioare

� aplicarea la intrados sau extrados (Figura 4.4) a Ńesăturilor sau armăturilor (sub formă de platbenzi) compozite sunt soluŃii foarte rapide şi uşor de implementat şi la plăcile de beton armat;

Fig. 4.4 Consolidarea placilor cu Ńesături şi armături compozite

Pentru grinzi şi rigle soluŃiile principale sunt: � sporirea secŃiunii pe una (Figura 4.5) sau mai multe laturi prin cămăşuieli (Figura 4.6);

Fig. 4.5 Consolidarea grinzilor prin suplimentarea betonului şi oŃelului la partea inferioară

_

Fig. 4.6 Cămăşuieli ale grinzilor de beton armat

� la riglele de cadre adesea trebuie corelată capacitatea portantă la încovoiere cu cea la forŃă tăietoare, fiind necesară dispunerea de etrieri suplimentari ca în Figura 4.7;

Fig. 4.7 Consolidarea riglelor de cadru prin cămăşuire

� la grinzile continue (Figura 4.8) se pot prevedea trasee segmentate pentru tendoane pretensionate, care să asigure rigorile specifice Stărilor Limit ă ale Exploatării Normale şi satisfacerea gradului de siguranŃă atât în secŃiuni normale cât şi înclinate; tendoanele exterioare pot fi utilizate adiŃional înlocuirii tendoanelor interioare neaderente, îmbunătăŃind performanŃa structurală a elementelor.

Fig. 4.8 Consolidarea grinzilor continue cu tendoane exterioare

� consolidarea structurilor în cadre de beton armat (Figura 4.9) trebuie efectuată cu discernământ, comportarea acestora în special la acŃiuni excepŃionale de tip seism fiind puternic influenŃată; implementarea pretensionării exterioare modifică mecanismul de disipare a energiei induse de cutremur, acesta fiind necesar a fi regândit şi controlat cu maximă stricteŃe.

Fig. 4.9 Consolidarea riglelor de cadre cu tendoane exterioare

� materialele compozite oferă o mare varietate de soluŃii atât pentru creşterea capacităŃii portante la încovoiere (Figura 4.10), cât şi la forŃă tăietoare (Figura 4.11);

Fig. 4.10 Consolidarea grinzilor cu armături compozite pentru încovoiere

Fig. 4.11 Consolidarea grinzilor cu armături compozite pentru forfecare

� profilele metalice pot fi şi ele folosite pentru creşterea capacităŃii portante la încovoiere (Figura 4.12) şi forfecare (Figura Figura 4.13);

Fig. 4.12 Consolidarea grinzilor cu tiranŃi metalici orizontali

Fig. 4.13 Consolidarea grinzilor cu juguri metalice pentru forfecare

La stâlpi sunt eficiente cămăşuielile şi confinarea cu frete sau etrieri (Figura 4.14), sau confinarea cu Ńesături compozite (Figura 4.15).

Fig. 4.14 Consolidarea stâlpilor cu armături suplimentare din oŃel-beton

Fig. 4.15 Confinarea stâlpilor de beton armat cu Ńesături compozite