Conceptia de ansamblu a cladirilor in functie de actiunea focului

Alegerea materialului si a tipului de structura pentru o cladire raspunde in general consideratiilor de tip economic (costul de investitie si de exploatare) sau arhitectural (confort, estetica).

De regula, alegerea materialelor pentru structura este facuta fara a se tine seama de actiunea incendiului. Prezentele recomandari permit alegerea materialului si din acest punct de vedere. Se poate estima in acelasi timp ca incendiul nu este susceptibil de modificari fundamentale, deoarece el ramane dictat de conditiile descrise anterior si, in mod esential, de incarcare si de sarcina. Este de preferat ca, in cazurile particulare, alegerea materialului sau a unui tip de structura sa tina cont de riscul la incovoiere, de exemplu, de exigenta rezistentelor la temperaturi foarte ridicate.

In ceea ce priveste lungimea constructiilor, capitolul 2.1 din NBN B15-104 recomanda sa nu depaseasca 40 m din cauza problemelor legate de dilatatia termica si de contractie. Valoarea este justificata prin variatii zilnice de temperatura.

Aceasta recomandare va fi, fara indoiala, modificata in noua versiune din norma aflata in pregatire. Ea trebuie sa fie rezolvata prin criteriile de incendiu si, mai ales, in functie de caracterul mai mult sau mai putin izostatic ori hiperstatic al structurii.

Exemplele din literatura de specialitate clarifica comportarea defavorabila a unei structuri hiperstatice de 50 m lungime, fara rost de dilatare, in cazul unui incendiu care afecteaza toata lungimea constructiei.

In consecinta, daca se tine cont de pericolul incendiului, recomandarea NBN B15 (40 m fara rost de dilatatie) nu poate fi aplicata daca nu se asigura structurii un caracter izostatic sau slab hiperstatic. In caz contrar, este necesara reducerea sensibila a acestei lungimi, cu atat mai mult cu cat hiperstaticitatea creste. In cazul unei structuri puternic hiperstatice, este indicata realizarea rosturilor de dilatatie la distanta de 25 m – 30 m maximum.

Rosturile de dilatatie se vor prevedea suficient de largi. Ca urmare a dilatarilor mari datorate temperaturilor inalte, cele doua margini ale rostului pot intra in contact, producandu-se eforturi care nu au fost prevazute in dimensionare.

Se recomanda in practica dimensionarea rostului pe baza unui Dq mediu de aproximativ 100 0C, pentru o rezistenta la foc de 1 ora si aproximativ 150 0C pentru o rezistenta la foc mai inalta, rezultand rosturi mai mici de 0,001 l pentru R_f = 1 h si 0,0015 pentru R_f > 1, unde l este distanta dintre rosturile de dilatatie.

Alegerea intre izostaticitate si hiperstaticitate

Aceasta problema este foarte complexa si controversata. Se incearca aici sa se aduca cateva elemente ca raspuns, pentru a elucida proiec­tantul in alegerea sa.

Prin anul 1970, se credea ca hiperstaticitatea este un factor favo­rabil in toate cazurile. Astazi, afirmatia este puternic nuantata, iar acest factor este uneori defavorabil; este o situatie particulara pentru anumite structuri din beton armat.

Studiul incendiilor reale a scos in evidenta ca rezistenta si capacitatea de rotatie sunt adesea probleme esentiale. In functie de acestea, este necesar sa se faca o diferentiere intre materiale, tipuri de elemente si sisteme de constructie, caci efectele termice introduc variante de la un caz la altul.

Notiuni despre efecte termice si despre imbinare

In acest paragraf, se prezinta o recapitulare a notiunilor privind efectele termice si imbinare. Analiza este facuta plecand de la o grinda sau placa rectangulara din beton, acest caz fiind mai complex, dar pornind de la el toate celelalte cazuri se vor putea rezolva.

Repartizarea temperaturii pe sectiunea dreapta a unui astfel de element este data in fig. 1.a.

Repartitia deformatiilor libere este destul de uniforma deoarece e = a ╫ q. Trebuie sa se tina cont, totusi, de variatia in functie de temperatura a coeficientului de dilatatie termica a = a (q).

Deformatiile libere pot fi descompuse in trei parti distincte: o dilatare de ansamblu (fig. 1.b), o incovoiere de ansamblu (fig.1.c) si o diagrama reziduala care corespunde aparitiei contractiilor termice s = -E(q)╫e (fig. 1.d).

Daca elementul este simplu rezemat, el se alungeste si se incovoaie (fig. 2) si apar tensiuni termice pe sectiunea transversala. Acestea se datoreaza faptului ca repartitia deformatiilor nu este liniara, deci nu este compatibila cu campul de deformatii dedus prin ipoteza lui Bernoulli.

Daca elementul este perfect incastrat, deplasarile sunt impiedicate de incastrare si apar eforturi in imbinare N₀ si M₀ (fig. 3). Momentele de incovoiere M₀ se suprapun cu cele datorate incarcarii exterioare.

Daca elementul face parte dintr-o structura hiperstatica, nu este decat partial fixat si comportamentul sau este intermediar celor doua cazuri prezentate, structura constituind pentru element o incastrare elastica (fig. 4.a).

Eforturile de incastrare N’₀ si M’₀ apar la extremitatile elementului cu valori mai putin severe decat in cazul incastrarilor perfecte (fig. 4.b). Aceste forte din incastrare (imbinare) antreneaza o distribuire de forte in restul structurii (fig. 4.c).

Ultimul caz este mai dificil de analizat. Daca restul structurii este relativ rigid, fortele de imbinare vor fi relativ importante si se apropie de cazul incastrat.

Dimpotriva, daca restul structurii este mai putin rigid, fortele de imbinare vor fi mai mici si se apropie de cazul biarticulat.

In ceea ce priveste stalpii sau peretii portanti, intereseaza mai ales cresterea fortei axiale ca urmare a dilatatiei partial impiedicate.

Aceasta se va produce, de exemplu, in cazul structurii hiperstatice din fig. 5, unde stalpii de tip (a) au tendinta de a se alungi atunci cand stalpii de tip (b) raman nemodificati. Din cauza hiperstaticitatii acestei structuri, stalpii (a) sufera o crestere a fortei axiale.

Un alt fenomen care in anumite cazuri poate prezenta pericole pentru stalpi si pereti portanti este cel care apare in fig. 6, unde sunt reprezentate deformatiile unui cadru sub efectul incendiului.

De altfel, in cazul in care traversa este relativ lunga, dilatarea acesteia provoaca deplasari importante in varful stalpilor sau peretilor portanti, ceea ce poate antrena o dislocare daca sectiunea are o capacitate de deformare limitata.

Este interesanta examinarea in anumite cazuri si conditii concrete a unor imbinari elastice sau incastrate in caz de incendiu.

Acest factor este legat de marimea constructiei, de forma sa, de conceptia sa, de legaturile structurii cu mediul exterior, de localizarea si extinderea incendiului in imobil.

In cazul unei constructii de talie mica, imbinarea elementelor va fi in general redusa (fig. 7.a). In cazul unei constructii mai mari, imbinarile elementelor pot fi importante daca incendiul este localizat (fig. 7.b).

Dimpotriva, daca incendiul se intinde pe toata lungimea constructiei, legaturile sunt mai slabe, exceptie facand peretii de la parter, prin urmare cei aflati in legatura cu fundatiile (infrastructura).

In cazul unei constructii cu lungime mare si inaltime mica, fara rosturi de dilatatie, situatia in caz de incendiu nu este deloc favorabila.

Daca incendiul este localizat, elementele sunt foarte legate (fig. 8.a).

Dimpotriva, daca incendiul se intinde pe toata lungimea constructiei, stalpii exteriori sunt supusi la deplasari foarte mari la partea superioara (fig. 8.b).

In cazul unei cladiri inalte (fig. 9), situatia este mult mai favorabila.

Daca incendiul a fost localizat (fig. 9.a) sau se intinde pe toata inaltimea constructiei (fig. 9.b), legatura elementelor va fi destul de slaba.

In cazul unei constructii cu centrul de stabilizare constituit dintr-un element rigid, cum este, de exemplu, casa scarii, situatia favorabila este atunci cand acesta este dispus in partea centrala a constructiei, astfel incat sa ofere o posibilitate de dilatatie egala pe toate directiile. Legatura va fi mai slaba daca restul constructiei are un caracter mai izostatic, ceea ce influenteaza forma si marimea constructiei.

Cazul grinzilor si al planseelor

Se aplica analiza care a fost descrisa anterior, plecand de la fig. 1 pana la fig. 4. Cresterea momentului pe reazem conduce la formarea unei articulatii plastice, producandu-se rotiri importante.

Comportamentul acestei articulatii este puternic influentat de dimensionarea sectiunii. De exemplu, daca in reazem nu avem armatura inferioara, apare riscul de a se produce o ruptura prematura.

Din diferite consideratii, se poate afirma ca o legatura slaba este mai degraba favorabila, ceea ce permite realizarea unor structuri izostatice, fara a fi constransi de a cauta iarasi o izostaticitate teoretica perfecta.

In ceea ce priveste cresterea fortei axiale, datorita legaturilor longitudinale se obtine un efect favorabil pe zonele intinse de beton, dar poate avea un efect defavorabil pe zonele puternic comprimate. Din nou, o crestere redusa sau lenta are mai degraba un efect favorabil, pe cand o crestere brusca si importanta poate avea un efect defavorabil.

Cresterea momentului este, in general, defavorabila comparativ cu  cresterea fortei axiale.

In concluzie, se poate afirma ca pentru grinzi si placi din beton, o legatura slaba are mai degraba un efect favorabil asupra comportamentului elementelor, in timp ce o legatura prea rigida poate avea consecinte neplacute. Acestea au fost confirmate prin studiile recente efectuate la Universitatea Tehnica din Braunscweig.

Cazul stalpilor

A fost luata in considerare situatia in care stalpii sunt incalziti pe 4 laturi. Daca stalpii sunt expusi pe 1, 2 sau 3 laturi, gradientul termic apare pe sectiunea dreapta si se apropie de cazul descris pentru grinzi.

Reamintim mai intai ca, la majoritatea constructiilor, nu sunt realizate legaturi importante ale stalpilor in caz de incendiu. In general, stalpii sunt mai putin intariti decat grinzile. Curgerea si relaxarea reduc efectele produse de temperaturile inalte. Se cunoaste ca stalpul ramane relativ rece in centru, dilatatia medie a stalpilor fiind destul de redusa. In practica, s-a constatat ca efectul imbinarii pe stalpi din beton este mai putin sever decat se presupune la prima vedere.

Solicitarea defavorabila pentru stalpii din beton este datorata cresterii termice orizontale in sistemul stalp-planseu adiacent. Daca deplasarile orizontale pe capul stalpilor sunt mari, pot rezulta in noduri distrugeri considerabile din cauza fortelor taietoare de la extre­mitatile stalpilor si chiar dislocari. De aceea, se recomanda pentru stalpii din beton solicitati prevederea unui sistem constructiv care sa impiedice dezvoltarea acestor solicitari.

 Recomandari generale pentru proiectare

Structurile din beton prezinta, in general, o buna rezistenta la foc. Sunt cunoscute slaba conductivitate termica a betonului si masivitatea sectiunilor, cresterea temperaturii in armaturi fiind foarte lenta, elemente ce conduc la o micsorare lenta a capacitatii portante a structurilor din beton.

Particularitatile termofizice ale betonului variaza sensibil de la un tip de beton la altul. Procentul de apa libera este un factor stiintific important in studiul repartitiei temperaturii. Proprietatea termotehnica cea mai importanta a betonului este evolutia rezistentei la compresiune in functie de temperatura. Totusi, pentru structurile din beton armat si beton precomprimat este variatia in functie de temperatura a limitei elastice (reala sau conventionala) a otelului.

In cazul otelurilor pentru beton armat, diminuarea limitei elastice este destul de apropiata de cea a otelurilor pentru sarpante metalice.

In cazul otelurilor pentru beton precomprimat, pierderea rezistentei este sensibil mai rapida decat cea a altor tipuri de otel.

Calculul repartitiei temperaturii se face prin metode numerice: metoda diferentelor finite si metoda elementului finit. Se recomanda consultarea publicatiei C.E.B. din 1982 care contine un adevarat catalog de date referitoare la acest subiect.

Se va verifica intotdeauna daca acoperirea armaturilor situate aproape de fetele expuse la foc este suficienta, desi acesta nu este singurul criteriu demn de luat in considerare. Pentru betonul cu agregate concasate, reducerile pentru stratul de acoperire sunt cuprinse intre 5 si 10%. Pentru betonul usor, reducerile sunt de ordinul a 10 – 20%, ele trebuind aplicate cu prudenta daca se are in vedere gradul mare de explozie.

Planseele si stalpii izostatici din beton armat se dimensioneaza pe baza unui criteriu de prabusire core­s­punzator aparitiei deformatiilor plastice in armaturi.

Criteriul sagetii f/l < 1/30 nu este aplicabil pentru acest tip de structuri. El trebuie sa fie inlocuit de un criteriu bazat pe viteza de deformare Df / Dt.

In ceea ce priveste tencuiala (acoperirea) nervurilor planseelor si grinzilor, reducerile sunt mai justificate decat in cazul placilor. Cu toate acestea, reducerile de 50% sunt prea mari, tinand cont ca ele au acoperiri foarte slabe si se recomanda, mai degraba, 25%.

Capacitatea de rotire in articu­la­tiile plastice pe reazeme pare suficienta in cazul stalpilor si al planseelor cu nervuri continue, in timp ce pentru placile cu sectiuni rectangulare aceasta capacitate poate fi insuficienta.

Vor fi luate masuri constructive, astfel incat dilatatia grinzilor si planseelor sa nu determine solicitari prea mari pe capul stalpilor si la nivelul peretilor.

In cazul elementelor din beton precomprimat, se va acorda o atentie maxima repartizarii cablurilor si firelor de precomprimare.

In cazul planseelor, o armatura pasiva perpendiculara pe directia de precomprimare este uneori utila.

Aceasta armatura trebuie sa fie dispusa pe suprafata expusa focului.

In cazul planseelor continue, in gene­ral post-comprimate, armatura pasiva este necesara. Pentru planseele cu toroane neaderente, armatura pasiva este practic indispensabila.

In acest sistem constructiv, rupe­rea unui toron este un fenomen peri­culos, fiind necesara asigurarea unei protectii in zona ancorajelor.

In cazul stalpilor din beton precomprimat, trebuie luate masuri constructive adecvate pentru impiedicarea alunecarii cablurilor prin pierderea aderentei sau a toroanelor in ancoraje.

Bibliografie

1. NBN B15 101-102-103-104 – Beton, Beton arme et Beton Precontraint – Generatites, Materiaux, Calcul, Execution. Institut Belge de Normalisation, Bruxelles, 1976.

2. CEB/FIP – Design of Concrete Structures for Fire Resistance. Preliminary Draft of an Appendix to the CEB/FIP. Model Code. Bulletin d’Information, nr.145 Comité Euro-International du Béton (CEB), Paris, 1982.

3. Saito, H. – Behaviour of End Restrained Concrete Member in Fire. BRI Research Paper, nr. 32, March 1968.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 28 – iulie 2007

Autori:
Petru MIHAI,
Nicolae FLOREA,
Gheorghe GEMENIUC – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” Iasi