Schimbarile profunde din domeniul economic impun proiectantilor utilizarea unor terenuri de fundare avand caracteristici din ce in ce mai slabe. Aceste terenuri au ca proprietate comuna parcurgerea, din incarcari exterioare, a unor deformatii mari si neuniforme. Fata de procedeele de imbunatatire folosite la ora actuala, va prezentam procedeul teserii pamantului, obtinand compozitul alcatuit din teren de fundare, micropiloti si injectari orizontale. Abordarile propuse apar ca o modalitate deosebit de avantajoasa si eficienta, in comparatie cu solutiile clasice cunoscute.
Pentru infrastructura lucrarilor de arta sunt necesare investitii de mari dimensiuni [1]. In domeniul infrastructurii transporturilor auto, pe baza studiilor intocmite in anul 1990, Guvernul Romaniei a adoptat un program de realizare etapizata a unei retele de autostrazi, care insumeaza cca 3.700 km. In acest sens, deschiderea de noi trasee impune din ce in ce mai des realizarea unor infrastructuri de comunicatii auto in conditii foarte dificile. Astfel, executia unor drumuri in conditii de terenuri mlastinoase, folosind solutii traditionale, necesita eforturi materiale si umane cu totul deosebite. Conditii similare apar si pentru fundatiile constructiilor de locuinte, birouri, scoli, spitale etc. Este firesc deci ca atentia cercetatorilor sa fie indreptata in directia gasirii de solutii noi, eficiente, care sa conduca la inlaturarea inconvenientelor semnalate mai sus [2], [3].
Fata de multitudinea solutiilor traditionale existente pentru rezolvarea infrastructurilor, va prezentam utilizarea materialelor compozite pentru lucrari de acest gen.
Materialul compozit are la baza procedeul „teserii pamantului“, adica folosirea simultana a pilotilor, micropilotilor si a injectarilor orizontale.
Daca injectarile si procedeul micropilotilor se utilizeaza independent inca din anii ’90, varianta combinata, adica injectari orizontale multistrat si micropiloti, a fost folosita in premiera in anul 1993, la consolidarea infrastructurii monumentului istoric clasa „A“ „Casa Wolfhard“ (sediul Universitatii de Arta si Design din Cluj-Napoca). Simultan a fost introdus si termenul „teren tesut“, in limba engleza „weaved soil“, acceptat de literatura de specialitate anglo-saxona [4], [5].
Terenuri de fundare care necesita transformare in materiale compozite
Schimbarile din domeniul ecologic, pe plan national si global, impun proiectantilor utilizarea unor terenuri de fundare avand caracteristici din ce in ce mai slabe. Propriu acestor terenuri este faptul ca parcurg deformatii mari si neuniforme, din incarcari exterioare statice si dinamice.
Din categoria terenurilor slabe de fundare fac parte: argilele moi, inclusiv cele cu umflari si contractii mari, nisipurile fine in stare afanata, malurile, turbele, umpluturile eterogene si afanate, neorganizate, loessurile.
Tot in categoria terenurilor slabe de fundare intra si zonele in care sunt amplasate monumentele istorice, avand in vedere faptul ca, in perioada lor de constructie, criteriile ce au stat la baza alegerii amplasamentului erau altele decat cele considerate corect structural astazi. La alegerea amplasamentului pentru aceste cladiri istorice, criteriul de baza era ca el sa fie greu accesibil (mlastini, zone muntoase etc.), adica nu se faceau consideratii structurale, ingineresti. La aceste terenuri modulul de deformare are valori cuprinse intre 2 si 10 MPa (20-100 daN/cm2).
Procedeele de imbunatatire folosite la ora actuala sunt: de suprafata si de adancime.
Procedee de imbunatatire de suprafata sunt:
• realizarea unor gropi stantate prin batere sau vibropresare;
• executarea unei perne de balast sau din pamant;
• executarea unei perne de pamant prin compactarea terenului.
Pentru consolidari de adancime se practica:
• umezirea in straturi a terenului de fundare;
• compactarea prin preumezire si umezire asociata cu lestare, explozii de adancime sau de suprafata;
• compactarea in adancime cu coloane de balast vibrate;
• tratarea chimica sau termica a terenului de fundare prin silicatare, suspensii de var, argila, ciment, rasini sintetice etc.
De multe ori, in loc de consolidari sau imbunatatiri ale terenului, se strapunge stratul slab de fundare cu piloti sau coloane din beton armat.
Toate procedeele enumerate au o caracteristica comuna: costul exagerat, asociat cu durata mare de executie.
Principiul compozitului „teren tesut” [6], [7]
Compozitul „teren tesut“ este un material structural care realizeaza imbunatatirea calitatii terenurilor slabe de fundare. Pornind de aici, autorii au pus la punct un procedeu al carui principiu structural consta in utilizarea simultana a micropilotilor (cu sau fara sac din tesatura textila) si a injectarilor orizontale multistrat. Conceptul „teserii terenului“ nu este nou, ci este intalnit des in natura. Radacinile arborilor realizeaza o tesere a terenului de fundare in toate directiile, iar prin perisorii rasfirati in pamant preiau seva si o transmit tulpinii, adica realizeaza o injectare inversa, la diferite nivele. Se poate remarca faptul ca aceasta rezolvare din natura este total superioara tipurilor de fundatii utilizate in prezent. Calitatea extraordinara a teserii pamantului in natura se observa atunci cand, din cauza unor vanturi foarte puternice, sunt smulsi copaci impreuna cu radacinile lor, dar cu antrenarea intregii mase de pamant cuprins (tesut) intre ele.
Conceptia structurala a compozitului „teren tesut”
Micropilotii sau pilotii, adica elementele structurale liniare din beton armat (cu sau fara sac din tesatura textila), avand un diametru mic fata de distantele dintre axe, impreuna cu injectarile orizontale realizeaza un compozit. Compozitul are, in cazul de fata, ca matrice terenul de fundare, iar ranforsarea este realizata cu micropiloti (piloti) si injectari orizontale, adica lamele din mortar de ciment portland sau hidraulic, avand rolul fibrelor verticale sau inclinate si orizontale (fig. 1).
Atunci cand se folosesc micropiloti (cu lungimi intre 6 si 32 m), numarul lor trebuie sa fie 2-4 buc./m2, iar structurile de lamela sa fie la aproximativ 50+100 cm interax [8], [9].
Analiza structurala a compozitului „teren tesut”
Analiza structurala a compozitului se face pe doua cai, si anume:
• analiza structurala practica;
• analiza structurala utilizand metoda elementelor finite.
Analiza structurala practica
Calculul se face pentru solicitari din compresiune, smulgere si orizontale.
• In cazul terenului netesut, deci fara conceptul de compozit, micropilotii (pilotii) solicitati la compresiune pot flamba, cu o deformata aproape egala cu lungimea micropilotului (pilotului), producand in terenul din jur reactii orizontale. Prin realizarea compozitului „teren tesut“ lungimile de flambaj se reduc substantial si se poate aplica formula lui Timishenko pentru bare flexibile inglobate in mediu elastic.
• In cazul solicitarilor axiale de smulgere, la calculul practic al capacitatii portante, pe langa cele doua conditii de rezistenta (conditia de material si conditia de teren), apare si conditia de reazem elastic in dreptul injectarilor. Conditia de reazem elastic va fi afectata de un coeficient de omogenitate, de un coeficient al conditiilor de lucru si de o valoare globala a caracteristicilor fizico-mecanice ale terenului.
• In cazul solicitarilor orizontale, datorita spatialitatii ce rezulta din modul de dispunere a micropilotilor (pilotilor) si a injectarilor, terenul tesut permite o foarte buna comportare la aceste actiuni, comportare explicabila prin mobilizarea matricei compozitului (a terenului) la preluarea acestor solicitari.
Analiza structurala utilizand metoda elementelor finite
Analiza se bazeaza pe elemente finite izoparametrice cu fibre inglobate, utilizand programul de calcul SUM [10], [11], [12].
In program, pentru rezolvarea problemelor de echilibru, se folosesc iteratii de tip Newton-Raphson, care sunt independente de tipul elementului finit ales.
Simularea fazelor de executie in analiza structurala este decisiva. In acest sens, programul de calcul SUM, prin tipurile de elemente finite implementate, permite simularea introducerii prin presare, forare sau vibrare a micropilotilor (pilotilor), inclusiv fenomenele legate de forma lamelelor din mortar de ciment (folosind elemente de tip membrana pentru sacii din tesatura poliesterica) din injectari orizontale.
Concluzii
Prin utilizarea materialelor compozite la infrastructura lucrarilor de arta, se obtin urmatoarele avantaje:
• componenta principala a compozitului, adica pamantul, este prezenta peste tot;
• executia este rapida si cu preturi de cont reduse;
• procedura este aplicabila pentru infrastructuri diverse si conditii de comportare deosebite;
• manopera este simpla;
• solutia este mai avantajoasa decat cea a pamantului armat, atat in ceea ce priveste costul, cat si in ceea ce priveste siguranta.
Ductilitatea si comportarea histerezis stabile ale structurilor compozite de tip „pamant tesut“ mentin aceste structuri in centrul cercetarilor actuale.
Bibliografie
[1] – Pop, V., Kopenetz, L., Roman, F., Fundatii pe radiere flexibile, Lucrarile celei de-a V-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii, pag. 170-180, Cluj-Napoca, 1983.
[2] – Kopenetz, L., Fundatii prefabricate, Contract nr. 687, ICCPDC, Bucuresti, 1984.
[3] – Lizzi, F., The Static Restoration of Monuments, SAGEP Publisher, Genova, 1982.
[4] – Kopenetz, L., Consolidarea cladirii monument istoric „Casa Wolfhard“, Contract nr. 5, Universitatea Tehnica, Cluj-Napoca, 1993.
[5] – Popa, A., Convorbiri personale, Cluj-Napoca, 1990-2006.
[6] – Kopenetz, L., Catarig, A., Teoria structurilor usoare cu cabluri si membrane, Editura UT Pres, Cluj-Napoca, 2006.
[7] – Catarig, A., Kopenetz, L., Textile Structures. Present and Future, Analele Universitatii din Oradea, pag. 25-31, 1998.
[8] – Kiefer, A., Altlastensanierung, Springer Verlag, Berlin, 1994.
[9] – *** EUROCOD 4 for Composite and Concrete Structures, 1994.
[10] – Ghali, A., Neville, A.M., Structural Analysis, E&FN Spon, London, New York, 1997.
[11] – Katzenbach, R., Aslan, U., Moorman, C., Design and Safety Concept for Piled Raft Foundations, Proceedings 3rd Int. Geot. Sem. On Deep Foundation on Bored and Anger Piles, pag. 439-448, Ghent, Balkema, Rotterdam, 1998.
[12] – Vanmarke, E.M., Probabilistic Modeling of Soil Profiles, Journal Geotechn. Eng. Div., ASCE 103, GT11, pag. 1227-1246, 1977.
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 37 – mai 2008
Autori:
prof. Ludovic KOPENETZ,
prof. Alexandru CATARIG – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii si Instalatii, Catedra de Mecanica Constructiilor
Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Lasă un răspuns