Dfinitii si clasificari, comparatii cu alte sisteme structurale domenii de utilizare ,normative internationale, istoric,

Definitii si clasificari

Dezvoltarea civilizatiei poate fi privita si ca o modificare a mediului prin structurile construite.

Formele structurale si performantele lor sunt in general dictate de materialul ales. Functiunea cladirii poate determina alegerea unor anumite materiale pentru diferite parti ale structurii .

Conceptul de material compozit este des intalnit in natura.

La origine materialele de constructii provin din minerale sau metale care se gasesc in forma lor naturala in sol in amestecuri de compozite. Chiar si materialele organice ca de exemplu lemnul sunt compozite.Aceste materiale naturale sunt transformate, recombinate, transformate in materialele compozite cum ar fi cimentul, betonul,caramida,otelul, aluminiu, sticla

Evolutia utilizarii unor tehnici de compunere a materialelor simple merge de la folosirea crampoanelor de fier in coloanele de piatra ale Acropolei , la folosirea fierului si a lemnului la fermele Victoriene pana la utilizarea in zilele noastre a materialelor compozite beton otel sau sticla si carbon cu polimeri .

Constructia compozita poate fi considerata ca o combinatie de elemente sau materiale care poate fi privita ca o entitate.

Betonul armat cu armatura rigida (BAR) este un material compozit care rezulta din asocierea stabila pe intreg intervalul de incarcare pana la rupere a otelului laminat (armatura rigida) si a betonului armat cu care se asociaza. Materialul rezultat fiind supus actiunilor exterioare asigura transferul controlat de eforturi si deformatii intre betonul armat si otelul laminat .Armatura rigida din otel se poate realiza din profile laminate , din elemente compuse prin sudura sau din elemente departate solidarizate cu placute sau zabrele.

Betonul armat cu armatura rigida trebuie privit ca un concept unitar si mai putin ca o suma de parti la fel cum de exemplu privim motocicleta sau betonul armat

Structura compozita se defineste ca o structura la care conlucrarea intre betonul armat si otelul rigid se manifesta la nivel de sectiune.

Structura din BAR -este structura compozita alcatuita din elemente din BAR

Structura mixta (hibrida) este o structura alcatuita din subsisteme din materiale diferite, subsisteme care conlucreaza intre ele.

Asocieri structurale mixte:

-Infrastructura din beton armat, bar primele nivele si otel sau beton armat la ultimele nivele

-Infrastructura din beton armat,nivele flexibile ductile din Bar la primele nivele,nivele superioare rigide cu pereti din beton armat

-Infrastructura din beton armat, stalpi din BAR, grinzi dinotel , plansee cu tabla cutata

-Infrastructura din beton armat,structura cu stalpi si pereti BAR, grinzi din otel , plansee compozite

Clasificarea elementelor structurale compozite

Se definesc principalele tipuri de elemente compozite din beton armat si otel laminat . Pentru fiecare tip se indica principalele solutii de realizare .

(i)-Element compozit -element structural a carui sectiune este alcatuita din beton armat si otel laminat conectate la interfata astfel incat sa se limiteze deformatiile relative de lunecare longitudinala si separarea celor doua materiale.

(ii)-Stalp compozit-element compozit supus predominant la compresiune sau incovoiere si forta axiala. Principalele solutii de stalpi compoziti sunt :

-functie de tipul sectiunii din otel : sectiuni cu inima plint deschise (I sau cruce) , din elemente din otel departate solidarizate cu placute sau zabrele, sau sectiuni din teava .

-functie de gradul de inglobare in beton : sectiuni inglobate in totalitate in beton armat (BAR) , inglobate partial in beton, tevi din otel umplute cu beton , tevi inglobate in beton sau tevi umplute si inglobate in beton.

(iii)-Grinda compozita: element compozit supus predominant la incovoiere. Principalele tipuri de grinzi sunt: grinzi cu profilul din otel inglobat total in beton armat (BAR) , grinzi cu profilul din otel inglobat partial in beton si grinzi cu profilul din otel neinglobat in beton

(iv)-Perete compozit (BAR): element compozit bidirectional vertical solicitat in planul sau prepoderent la incovoiere cu forta axiala si forta taietoare .Peretii compoziti au armatura rigida in bulbi si centuri ,iar inima peretelui poate fi din beton armat in asociere cu tola din otel laminat (inima plina), cu diagonale din otel laminat sau din beton armat cu plase diagonale din armatura legate adecvat pe contur cu armatura rigida.

(v)-Nod compozit -subsnsamblu structural care presupune o imbinare intre stalpi si grinzi compozite.Daca stalpii si grinzile sunt din BAR nodul este nod din BAR

(vi)-Placa compozita- element compozit bidirectional orizontal solicitat perpendicular pe planul sau preponderent la incovoiere. Placile compozite din beton armat si otel laminat sunt realizate de regula din tabla cutata si beton armat.

Din punct de vedere al modului de participare la actiuni seismice elementele structurale compozite se clasifica in doua categorii :

a)-Elemente care fac parte din structuri antiseismice sunt elementele destinate sa asigure absorbtia si disiparea energiei seismice .La aceste elemente se pot diferentia zone plastice potentiale si zone care sub actiunea seismica raman in stadiu elastic.

b)-Elemente care nu fac parte din structuri antiseismice.In aceasta categorie intra elemente la care eforturile din actiunea seismic sunt nesemnificative.

Normative internationale

Pe plan international domeniul structurilor compozite capata o individualitate tot mai pregnanta care se manifesta prin dezvoltarea unor normative specifice(nationale dar si europene) dintre care sunt de mentionat cele mai ample respectiv normativul european EC 4 ,cel japonez AIJ, cel german DIN 18806 , cel din Marea Britanie BS5400,cel din China DL5099-1997 La noi in tara exista "Codul de proiectare pentru structuri din beton armat cu armatura rigida."

Manifestarile specializate (conferinte si simpozioane, seminarii) in acest tip de structuri reunesc un numar tot mai mare de lucrari si se bucura de un interes deosebit.

Dintre reuniunile stiintifice sunt de mentionat:

Seminariile SUA Japonia -Structuri Compozite 1980, 1984,Simpozionul International -Structuri Compozite Otel-Beton -Bratislava 1987, Conferinta de structuri Compozite SUA 1992, Conferinta internationala :Constructii Compozite-IABSE,CEB, RILEM Innsbruck 1997

Interesul in pentru structurile din beton armat cu armatura rigida se concretizeaza si printr-un volum de constructii in continua crestere.In Japonia de exemplu mai mult de 50%din cladirile cu peste 6 etaje sant realizate din Bar.Avantajele sistemului la nivel de material, sectiune, element, structura il impune in raport cu alte sisteme in special in zone seismice.Alaturi de tari cu traditie ca Japonia. Statele Unite ale Americii,Franta, Anglia, Germania , Romania are o experienta bogata acumulata mai ale dupa anii 1985 cand s-au realizat un numar de cladiri de importanta nationala Suprafata si inaltimea acestor cladiri cat si solutiile constructive utilizate, situeaza tara noastra printre tarile cu cea mai bogata experienta in acest domeniu.

Literatura de specialitate avand la baza numeroase studii experimentale si numerice a adunat in special dupa 1950 o bibliografie impresionanta in acest domeniu.

Specialisti cum ar fi :Minoru Wakabayashi, Kioki Minami (Japonia),Roger Johnson ,A.S.Elnashai(Marea Britanie),Jan Stark (Olanda), Karlheinz Roik(Germania), Russell Bridge (Australia) ,Walter P. More, I.M.Viest,Charles Roeder (SUA), Alexandru Cismigiu(Romania) au fost principalii promotori si reprezinta nume de referinta ai acestui domeniu.

Istoric

1852-Francois Coignet-Terasse a Saint -Denis

1875 -G.Ward-grinzisoare din beton armat cu profile inglobate

1884- Rock Rapids Bridge-Yowa

1884- Methodist Building Pittsburg asociata unui incendiu foarte puternic.

In zilele de astazi SUA are cele mai inalte cladiri realizate in sistem structural compozit. Aceste cladiri au fost calculate insa la actiunea dominanta a vantului nefiind situate in zone cu risc seismic ridicat:

Sant de mentionat cateva exemple :

Texas Commerce Tower -Huston Texas -75 etaje

Inter First Plaza - Dallas -72 etaje

One Liberty Place-Philadelphia-65 etaje

Three First National Plaza Tower- Chicago-57 etaje

In Europa in Germania s-a realizat Sediul Commerzbank din Frankfurt/Main

Japonia , tara cu solicitari seismice importante ,a importat sistemele compozite din SUA la inceputul secolului XX. Intre anii 1910-1920 se construiesc primele cladiri din BAR.

Prima verificare la scara naturala la actiuni seimice a acestui material mixt are loc in 1923 cand are loc cutremurul devastator de la Kato .Cu acesta ocazie s-a oservat pentru prima data superioritatea neta a BAR in raport cu B.A si cu structurile din otel.

In 1978 , cu ocazia unui alt mare cutremur de la MIYAGIKENOKI din 300 de cladiri cu 6-18 etaje prabusite nici una nu a fost din B.A.R

La cutremurul recent din 1995 din Kobe structurile din B.A.R nu au unregistrat prabusiri.Avariile produse la aceste cladiri au aparut in urmatoarele situatii:

-la fundatii, in cazurile in care armatura rigida nu a fost ancorata in peretii subsolului ci a fost sudata pe placi de baza la cota 0,

-in cazul sistemelor mixte in zonele de trecere de la B.A.R la B.A.,

-in zona de articulatie plastica a grinzi B.A.R,

- fisurari la forta taietoare la baza s-au la primul nivel in stalpii cu profilelor metalice solidarizate prin placute s-au cu diagonale .

-datorita flexibilitatii structurilotr in cadre din BAR au aparut degradari la elementele nestructurale

. In Romania prima structura importanta din BAR este Corpul central al Casei Presei realizat in 1949-1953 care a folosit in special documentatia si experienta sovietica in domeniu dobandita cu ocazia edificarii cladirilor inalte din Moscova solicitate la actiunea combinata gravitatie..Casa Presei este cea mai inalta cladire europeana in Bar in regim seismic.In anii 1985-1989 structurile din Bar au fost utilizat cu preponderenta la cladiri monumentale administrative si culturale de importanta deosebita :Casa Parlamentului, Biblioteca Nationala,Casa Academiei, Muzeul de istorie La proiectarea acestoe cladiri folosit documentatie japoneza de ultima ora in domeniu.Casa parlamentului este cea mai ampla si cea mai complexa structura din Bar din lume.Cu acel prilej s-au realizat si primele programe experimentale pentru elemente compozite, s-au publicat lucrari de cercetare , s-au elaborat programe de calcul specifice.

La congresul Asociatiei Internationale a Inginerilor de Poduri si Structuri care a avut loc la Paris in 1932 , Empeger F si A.Hawranek sant primii care definesc sistemele structurale compozite cu profile metalice din otel inglobate in beton armat (BAR).

Comparatii intre betonul armat cu armatura rigida , betonul armat si otelul structural.

Fata de structurile din beton armat ,structurile din beton armat cu armatura rigida prezinta in conditiile unei proiectari corecte urmatoarele avantaje :

-Capacitate de ductilitate superioara ,si o mai mare capacitate de absorbtie si disipare a energiei induse de cutremur. Ductilitatea sporita a elementelor BAR in raport cu cea a elementelor din beton armat se explica prin faptul ca armatura rigida poate prelua forte laterale chiar dupa ce betonul s-a zdrobit. Rezulta o cedare in trepte, lenta -cedarea componentei din beton armat fiind urmata in faza finala de colapsul armaturii rigide.

-Rezistenta la forta taietoare superioara , caracteristica esentiala pentru elementele si zonele critice la acest tip de solicitare :noduri de cadru, stalpi scurti. Un element din BAR cu sectiunea armaturii rigide cu inima plina are o buna ductilitate chiar in cazul cedarii la forta taietoare.

-Comportare histerezis mai stabila . Elementele BAR supuse la solicitari ciclice au degradari mai reduse atat in ceea ce priveste rezistenta cat si rigiditatea .

Comportarea histerezis stabila a elementelor BAR cu inima plina se explica prin faptul ca inima armaturii rigide total inglobata in masa betonului opreste dezvoltarea proceselor de microfisurare limitand deschiderea si avansarea fisurilor diagonale in interiorul elementului.Un caz foarte favorabil este cel al tevilor metalice umplute cu beton cu rapoarte intre diametru si grosimea peretelui suficiente pentru a se evita flambajul local.Aceste elemente se comporta ductil datorita efectului de fretare al betonului. Rezistenta si ductilitatea in acest caz sunt mari si nu sunt influentate de prezenta fortelor taietoare .

. -Eliminarea esafodajelor .Scheletul metalic poate sustine cofrajul planseelor fara esafodaje. Executia la structurile din BAR a armaturii rigide,in avans fata de lucrarile de armare ai betonare asigura abateri de executie mai reduse a acestora.

-Capacitate de rezistenta superioara conferite de folosirea unor procente de otel de cateva ori mai mari decat in cazul betonului armat.

In raport cu structurile din otel, sistemele structurale din beton armat cu armatura rigida au urmatoarele avantaje:

-Rigiditate la deplasare laterala mai mare ,respectiv deplasari relative de nivel mai mici.

-Rezistenta la foc ai la coroziune superioare.

-Stabilitate locala ai generala mai buna

-Capacitate de amortizare vascoasa superioara .

Dezavantajele structurilor din BAR se refera la

-Dificultati de realizare a conectarii intre armatura rigida si componenta din beton armat si asigurarea stabilitatii acesteia pana la ruperea elementului

-Proiectare si executie mai dificila

-Costuri mai mari datorita consumurilor sporite de manopera

Domenii de utilizare ale structurilor si elementelor din BAR.

Sistemele structurale din beton armat cu armatura rigida se recomanda in urmatoarele situatii:

-Cand se doreate marirea eficacitatii sub aspectul rezistentei (M,N,Q) , rigiditatii si ductilitatii sistemelor structurale din beton armat.

-In situatiile in care se doreste reducerea sensibilitatii la ruperi fragile a elementelor din beton armat (elemente scurte, noduri, etaje flexibile).

-In situatiile in care betonul armat nu poate oferi solutii economice din punct de vedere structural iar otelul conduce la sisteme structurale prea flexibile :-deschideri prea mari pentru grinzi si placi ,deschideri aferente si inaltimi mari pentru elemente structurale verticale stalpi ,pereti

-Cand se doreste un transfer fluent de eforturi la cladiri cu structura mixta alcatuita din substructuri din beton armat si substructuri din otel laminat.

Structurile din BAR sunt indicate la cladiri multietajate mai inalte de 12 niveluri si deschideri de cel putin 6m aflate in zone cu seismicitate puternica (zonele seismice de calcul A,B,C).Elementele din BAR pot fi utilizate si ca elemente izolate in cadrul unor structuri din beton armat , sau din otel

In afara cazurilor mentionate BAR se poate utiliza si la interventii structurale la constructii existente , consolidari , etc

Desi se recomanda in special in zone seismice structurile din BAR isi pot gasi o utilizare eficienta si in afara acestora cand sunt necesare gabarite reduse.

Leen Beedle - presedinte al Asociatiei Internationale pentru cladiri inalte: aprecia ca sistemele structurale din BAR vor domina in viitor la cladirile foarte inalte amplasate in zone seismice

Calculul structurilor cu armatura rigida are de cele mai multe ori trasaturi comune cu calculul structurilor din beton armat si cu cel al structurilor din otel.Exista insa si metode specifice utilizate in normativele europene (EC4, DIN ,BS) sau din SUA si JAPONIA , CHINA. Ele au la baza un volum impresionant de incercari experimentale

In lucrarile stiintifice publicate in revistele de specialitate si cu ocazia unor conferinte si simpoizioane se propun relatii de calcul care acopera practic intreaga gama de elemente din bar.