Parametri si criterii de robustete si dezvoltare durabila pentru cladiri multietajate (I)

Toate constructiile, dar in mod deosebit cladirile cu inaltimi mari amplasate in zone urbane, trebuie sa posede, intai de toate, o structura robusta, capabila sa faca fata actiunilor si solicitarilor curente sau exceptionale la care poate fi supusa. In prezent, mai mult decat in trecut, iar in viitorul apropiat semnificativ mai mult decat in prezent, trebuie sa fie realizata si sa functioneze in asa fel incat sa prezerve resursele existentei noastre si impactul asupra mediului.

Lucrarea de fata prezinta selectiv aplicarea conceptelor de dezvoltare durabila si robustete structurala, cu referire in particular la cladirile multietajate.

In contextul socio-economic actual, si sub presiunea cerintelor de mediu, circumscrise conceptului de dezvoltare durabila, constructiile, in general cele inalte, din aglomeratiile urbane trebuie sa satisfaca criterii de performanta apartinand urmatoarelor clase de cerinte:

• siguranta;

• functionalitate;

• performante tehnico-economice corelate cu costuri rationale;

• exploatarea rationala a resurselor naturale si agresivitate minima fata de mediul ambiant (natural, socio-cultural).

Intr-un model „structural“ integrator, relationarea ierarhizata a acestor cerinte se prezinta sub forma „templului“ din figura 1, in care structura „acoperisului“ reazema pe pilonii reprezentati prin norme, principii si reguli tehnice de proiectare (NORME), comanda sociala (SOC) si resursele economice la dispozitie (EC).

Conceptul de dezvoltare durabila

Ideea de dezvoltare durabila nu face altceva decat sa extinda domeniul de definitie al functiunilor prin care se caracteri­zeaza parametrii de „siguranta a vietii“ ocupantilor mediului construit.

Dezvoltarea durabila stabileste un set de legi si criterii care opereaza cu functii si parametri din mediul inconjurator, cel economic si cel social in scopul asigurarii dezvoltarii, de lunga durata, a societatii. In raportul Brudtland [1], „Viitorul nostru comun“ (1987), dezvoltarea durabila a fost definita ca fiind „dezvoltarea care permite satisfacerea necesitatilor prezente fara a compromite abilitatea generatiilor viitoare de a-si satisface propriile necesitati“.

In momentul de fata sectorul constructiilor este responsabil pentru consumul a circa 50% din resursele primare pe care le ofera natura, mai mult decat oricare alt sector industrial. Mediul construit consuma circa 40%-45% din energia produsa la nivel mondial. In mod direct si prin consecinte indirecte, produce cel mai mare impact asupra mediului natural. Impactul, in sens complex, al constructiilor asupra vietii si economiei este enorm si decisiv pentru conditiile si calitatea vietii pe pamant. Diminuarea si controlul acestui impact reprezinta misiunea strategiei denumite „dezvoltare durabila“ si constituie una din direc­tiile prioritare in momentul de fata si in urmatoarea perioada de timp.

Implementarea conceptului de dezvoltare durabila in constructii nu se poate realiza decat prin inovare la nivel conceptual si tehnologic. Procesul este, in mod evident, pluri- si interdisciplinar. Pozitionarea sectorului de „constructii“ in contextul „dezvoltarii durabile“, in mediul inconjurator, se prezinta in figura 2.

Relatia dintre sectorul de constructii si mediu, in contextul dezvoltarii durabile

Se poate construi durabil, pe baza unor modele conceptuale performante (functionalitate, siguranta, neutre sau cu impact redus fata de mediu), folosind materiale cu caracteristici fizico-mecanice superioare (reciclabile si cu consumuri inglobate de resurse primare si energie scazute), aplicand sisteme constructive si tehnologii adiacente (siguranta, flexibilitate, consumuri ener­­getice scazute, impact minim fata de mediu).

Ciclul de viata al unei cladiri include: constructia, utilizarea acesteia, deconstructia, acti­vitatile de baza, respectiv materialele produse si energia.

Utilizarea constructiilor, respectiv toate activitatile legate de constructii genereaza peste 40% din emisiile totale de CO₂, folosesc aproximativ 40% din energia produsa si consuma mai mult de 40% din resursele materiale folosite in societate.

Constructiile utilizeaza cantitati importante de materiale, atat resurse primare, cat si materiale reciclate. Resursele primare afecteaza mediul inconjurator prin procesul de produ­cere, de la materia prima la elementele componente ale constructiei, respectiv prin transport. Resursele primare nu sunt nesfarsite si, astfel, reciclarea conduce, in cele mai multe cazuri, la cresterea calitatii mediului inconjurator.

Din punct de vedere al dezvoltarii durabile, o constructie si aria aferenta acesteia trebuie sa raspunda urmatorilor parametri: alegerea eficienta a amplasamentului, proiectarea in termeni de dura­bili­tate, selectia materialelor, executia, managementul deseurilor, folosirea eficienta a energiei si a apei, calitatea aerului interior, utilizarea, demontarea, refolosirea componentelor, reciclarea, toate acestea cu impact in evaluarea ciclului de viata.

Proiectarea unei constructii pentru o durata de viata stabilita prin norme la 50-100 de ani nu se mai poate face ignorand impactul asupra mediului natural, respectiv construit si locuit, atat prin consumul de resurse si efectele sale in faza de constructie, cat si pe parcursul exploatarii.

Conceptul de robustete structurala

Performantele structurale ale unui sistem supus unor actiuni extreme – un cutremur sever spre exemplu – se determina pe baza performantelor elementelor componente [2]. Pentru ca elementele structurale sa lucreze in mod integrat, iar intregul sistem structural sa suporte cu succes incarcarile exterioare, trei conditii – care definesc conceptul de „robustete structurala“ – devin importante:

• sa permita predictibilitatea com­portarii (configurarea si ponderea adecvata a proprietatilor de rezistenta, rigiditate si ductilitate a structurii, in ansamblu si a componentelor si detaliilor acesteia);

• sa pregateasca cai multiple pentru transferul fortelor, in ipoteza cedarii partiale;

• sa asigure suficienta rezistenta acelor elemente structurale care, in nici un caz, nu au voie sa cedeze;

In metodologia de proiectare, indeplinirea acestor conditii impune:

• sa se stabileasca componentele structurale care furnizeaza ductilitatea necesara, respectiv a celor responsabile pentru asigurarea suprarezistentei, avand misiunea de a preveni colapsul;

• sa se ia in considerare suficienti factori de siguranta;

• sa asigure redistribuirea eforturilor determinate de plastifierea componentelor ductile care actio­neaza in structura asemenea unor „sigurante fuzibile“ altor elemente capabile sa preia eforturi suplimentare;

• sa se asigure ca nu se produce colapsul, chiar daca o structura este solicitata la forte peste cele consi­derate in calcul – structura robusta.

Pentru a studia raspunsul structurilor la actiunile excep­tionale de diferite tipuri, cum ar fi cutremurul, focul, impactul, explozii etc. cu scopul de a micsora efectele acestora asupra construc­tiilor, s-au definitivat cateva metodologii care, in prezent, nu sunt integrate intr-o singura metoda. In cazul unor actiuni exceptionale, cum ar fi seismul, metodele de analiza a constructiilor noi au atins un nivel de acuratete satisfacator. Nu este si cazul altor tipuri de actiuni excep­tionale sau cazul cladirilor existente. Analiza vulnerabilitatii este un subiect in dezvoltare, in special dedicat actiunii seismice. Atunci cand ne referim la situatiile exceptionale, evaluarea vulnerabi­litatii, ca si relatie dintre cerinta si capacitate, poate fi privita ca o relatie dintre integritatea structurala si robustete.

Cand o structura sufera avarii severe, integritatea constructiei este partial sau total compromisa si, in consecinta, elementele structurale si-au epuizat robustetea. La baza calculului structural exista o combinatie dintre „cerinta si capacitate disponibila“ – „cerinta“, asociata conditiilor de incarcare la care structura trebuie sa reziste, si „capacitate disponibila“, la care structura trebuie sa raspunda cerintelor de proiectare.

Generali­zand acest concept, integritatea structurala intentioneaza sa cuantifice capacitatea structurii de a rezista la o situatie data de incarcare, corespunzatoare unei stari limita date. Cand situatia devine extrema, nivelurile de performanta considerate corespund unei stari limita ultime.

Robustetea reprezinta capacitatea portanta, respectiv capacitatea de functionare la care o structura sau un element structural este capabil sa raspunda in cazul actiunilor care depasesc cu mult valorile de calcul, respectiv in situatii extreme sau exceptionale. In aceste situatii, materialele sunt solicitate peste limita de elasticitate, pana la starile limita ultime, exploatand toate resursele in termeni de rezistenta, rigiditate si ductilitate. Din acest motiv conceptul de robustete poate varia semnificativ conform cu performanta ceruta sistemului si cu actiunile externe in cauza.

In figura 3 se prezinta o schema logica [2] recomandata pentru proiectare, bazata pe controlul cedarii, menita sa asigure comportare robusta unei structuri. Schema logica este particularizata pentru cazul structurilor in cadre multietajate realizate din otel, in solutie mixta otel-beton.

In literatura de specialitate [3], numerosi autori au identificat robus­tetea unui sistem ca fiind proprietatea care limiteaza sau elimina asa-numita „avarie indirecta“. Este avaria asociata cu pierderea functionalitatii si, partial sau global, cu cedarea structurii, care se produce suplimentar „avariei directe“.

Pe scurt, avaria directa este o problema legata de vulnerabilitate, iar avaria indirecta implica robustetea sistemului. Astfel, un sistem poate fi declarat robust atunci cand este impiedicata avaria directa generata de incarcarile de calcul nominale, cat si atunci cand este limitata avaria indirecta pentru a evita ceda­rea globala a structurii.

Aceasta problema poate fi tratata probabilistic prin introducerea conceptului de risc direct (R_D) si risc indirect (R_ID), care este legat de consecintele directe si indirecte cauzate de actiunile posibile si stadiile de degradare corespunzatoare. Pe baza acestei metode, luand in considerare toate evenimentele posibile [3], se poate defini „indicele de robustete“ Ir,  care se exprima prin relatia:

In mod similar, se poate prezenta o definitie determinista a robustetii [4], care tine seama de caracterul aleator atat al actiunilor, cat si al rezistentei structurale.

Daca ne referim la o actiune ideala A, care produce structurii o avarie globala D, reprezentata prin curba rezistenta – avarie (R-D) – indicele de robustete Ir se poate defini ca: raportul dintre energia „directa“ maxima care poate fi absorbita de un sistem structural si energia totala absorbita de structura, care contine atat avaria directa, cat si pe cea indirecta, asa cum se pre­zinta in figura 4 [4]. In aceasta situatie, indicele de robustete Ir se determina cu relatia:

Daca se considera nivelurile de performanta acceptate pentru proiec­tarea structurilor, se poate defini conceptul de Proiectare Bazata pe Robustete (RBD), in care calculul structural este efectuat conform nivelelor de robustete predeterminate, fiecare dintre ele corespunzand unei valori a indexului de robustete Ir (fig. 5).

Ca rezultat, in tabelul 1 se poate reprezenta matricea de performanta multicriteriala. Ea „parafrazeaza“ matricea propusa pentru proiectarea antiseismica bazata pe criterii de performanta (PBSE – Performance Based Seismic Engineering) [5].

Avaria corespunzatoare fiecarui nivel de performanta (operational complet, operational, siguranta vietii, prevenirea colapsului) se poate determina conform normelor, in functie de actiunile considerate.

Masurile pentru prevenirea colap­sului progresiv sunt cele definite la inceputul acestui capitol, respectiv: calibrarea adecvata si ierarhizarea componentelor ductile si suprarezistentele menite sa asigure redundanta structurala cu cai multiple pentru transferul fortelor.

(Continuare in numarul viitor)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 43 – noiembrie 2008

Autori:
prof. dr. ing. Dan Dubina,
conf. dr. ing. Viorel Ungureanu,
prof dr. ing. Daniel Grecea – Universitatea „Politehnica“, Timisoara