Expertiza tehnica a structurilor din beton armat cu pereti subtiri

Învelitorile subtiri din beton si beton armat sunt elemente de rezistenta de forma unor suprafete curbe, la care raportul dintre grosimea piesei si oricare dintre razele principale de curbura ale suprafetei mediane este mic (cca 0,001 ÷ 0,05).

Corpurile, elementele care alcatuiesc structurile cu pereti subtiri se clasifica in functie de raportul dintre dimensiunile lor in:

– bare (grinzi, stalpi), la care o dimensiune este mult mai mare decat celelalte doua;

– placi (pereti structurali, dia­fragme orizontale), la care doua dimensiuni sunt mult mai mari decat a treia (grosimea).

Cladirile din beton si beton armat cu pereti subtiri au in general dimensiuni mari in spatiu (fig. 1, 2, 3) si au fost realizate in anii 1910-1970 [1], [2].

Aceste cladiri, reusind sa strabata deceniile, cu pierderi mai mari sau mai mici, necesita o atentie deosebita din partea societatii, in vederea reabilitarii lor [3], [4], [5].

Interventiile de reabilitare se fac cu scopul aducerii structurilor la nivelul exigentelor actuale, privind rezistenta si stabilitatea lor la actiuni statice si dinamice (inclusiv seismice) [6].

În conformitate cu legislatia natio­nala si internationala, aceste interventii structurale, la structuri din beton armat cu pereti subtiri, se pot realiza numai pe baza unor expertize pretentioase. Problemele pe care le ridica expertizarea sunt de mare complexitate, din cauza multiplelor variabile aleatoare care intervin [7].

Starea unei structuri portante depinde atat de gradul de vulnerabi­litate, cat si de gradul de degradare existent in situ.

Gradul de vulnerabilitate exprima modul de alcatuire a structurii, prin valoarea rezistentelor sectionale disponibile in momentul expertizarii.

Gradul de degradare depinde atat de natura avariilor fizice, cat si de frecventa si localizarea acestora in ansamblul constructiei.

Exactitatea rezultatelor unei exper­tize structurale depinde de modul de determinare a vulnerabi­litatii si a degradarii. Ca atare, in lucrare, autorii prezinta problema­tica expertizarii pentru aceste aspecte, utili­zand metode avansate de investigare si concepte privind teoria sistemelor.

RELEVEE STRUCTURALE PENTRU MODELAREA GEOMETRICA

Pentru reprezentarea structurii reale, activitatea practica in relevare impune folosirea mode­larilor grafice. Selectarea si repre­zen­tarea informatiilor pentru modelarile grafice are o importanta hotaratoare in analiza structurala ce urmeaza sa fie efectuata.

Relevarea coordonatelor primare se poate face prin metode geode­zice sau fotogrametrice [8], [9].

În cazul suprafetelor intinse este utila fotogrametria aeriana, dar deoarece majoritatea structurilor cu pereti subtiri sunt de ordinul zecilor de metri este suficienta fotogrametria inchisa.

Fotogrametria inchisa este o aplicatie speciala a fotogrametriei, avand avantajul unei precizii marite si efectuarea masuratorilor fara contact cu constructia. Precizia masuratorilor poate ajunge pana la 1,5 mm ÷ 5 mm.

Suprafetele si curbele se pot reprezenta sub forma implicita, explicita sau parametrica. Pentru scopuri digitale cea mai utilizata este reprezentarea parametrica.

Curbele si suprafetele folosite in modelari geometrice pentru cladiri istorice se incadreaza intr-una din urmatoarele grupe: curbe si supra­fete date analitic sau interpolari si aproximari.

Pot fi utilizate interpolari Lagrange, Hermite si functii spline bicubice. Procedura de aproximare se poate realiza convenabil prin metoda Breizier.

Pentru relevarea asistata de calculator a cladirilor cu invelitori subtiri, la care elementele componente de arhitectura si structura prezinta proeminente, varfuri, este foarte avantajoasa folosirea functiilor spline cubice [10].

IDENTIFICAREA DEFECTELOR STRUCTURALE

Descoperirea avariilor si defectiunilor structurale la structurile din beton armat cu pereti subtiri este o operatie foarte dificila. Dificultatea deriva atat din faptul ca majoritatea acestor cladiri au fost executate pe baza teoriei de ordinal I, cat si din calitatea si vechimea materialelor structurale utilizate.

Avand in vedere caracteristicile acestor structuri, pentru investigari se vor evita, in general, metodele de cercetare distructive.

Pentru aceste determinari au fost luate in considerare trei metode si anume: metoda Impact-Echo, metoda Termografiei in infrarosu si metoda Identificarii dinamice in situ.

Metoda Impact-Echo este o metoda de cercetare nedistructiva, folosita cu mult succes in ultimul timp. Din punct de vedere fizic ea utilizeaza interdependenta dintre caracteristicile acustice si cele fizico-mecanice ale materialului structural. Fata de alte metode nedistructive, ea pre­zinta avantajul ca nu necesita accesul la ambele parti ale elementului structural investigat [11]. Metoda se poate aplica eficient pentru urmatoarele investigari:

• localizarea fisurilor, a golurilor;

• masurarea adancimii fisurilor;

• masurarea grosimii peretilor structurali la care exista acces intr-o singura parte;

• determinarea rezistentelor medii la compresiune.

Operarea cu aceasta metoda foloseste trei componente principale:

• un percutor mecanic care produce impacturi scurte, cu durata constanta sau variabila;

• un receptor sensibil, care deter­mina reactia suportului la impact;

• un sistem de achizitie si de analiza a semnalelor receptionate.

Avantajul cel mai important al metodei, in cazul structurilor cu pereti subtiri, consta in posibilitatea determinarii dislocatiilor care influenteaza comportarea atat la soli­citari statice cat, mai ales, la solicitari dinamice (seismice).

Metoda Termografiei in infrarosu permite masurarea si inregistrarea variatiilor de temperatura pe supra­fata structurii cu pereti subtiri folosind radiatii infrarosii, adica radiatii electromagnetice invizibile, pene­trante, cu efect termic pronuntat, situate intre limita rosie a domeniului luminii vizibile si microundele radioelectrice [12].

Datorita faptului ca la expertiza­rea structurilor cu pereti subtiri problema vitala o reprezinta des­coperirea fisurilor, a crapaturilor (de multe ori invizibile din cauza unor reparatii neprofesioniste), autorii au introdus metoda tocmai pentru localizarea acestor defecte.

Metoda este rapida, adica, intr-un interval scurt de timp se pot scana nedistructiv suprafete foarte mari.

Metoda Identificarii dinamice in situ consta, de regula, in determi­narea unor parametri dinamici, cum sunt: deplasarile, vitezele, accele­ratiile si deformatiile specifice [13].

În timpul masuratorilor, pe langa modificarea amplitudinilor acestor marimi, se urmareste si frecventa si defazajul lor.

Precizia determinarilor depinde foarte mult de caracteristicile aparaturii folosite: rezolutia, sensibilitatea, histerezisul etc. [14], [15], [16].

PROBLEMA ACTIUNILOR

Se intelege prin actiune orice cauza capabila sa genereze o stare de solicitare mecanica intr-o constructie.

În ceea ce priveste actiunile luate in considerare pentru calculul structurilor cu pereti subtiri, apare o multitudine de aspecte specifice. Aceste aspecte sunt exponential diversificate datorita grosimii reduse a elementului portant principal [17].

Actiunile care pot solicita constructiile cu pereti subtiri prezinta o mare diversitate, ceea ce necesita clasificarea lor dupa anumite criterii, in vederea schematizarii.

Cauzele susceptibile sa produca solicitari au ca provenienta categorii de fenomene precum:

• fenomene fizice concrete;

• fenomene legate de activitatea umana.

Avand in vedere Normele euro­pene (EUROCOD1) si Codul de proiectare national aferent „Bazele proiectarii structurilor in constructii – CR 0-2005“, la structurile din beton armat cu pereti subtiri se vor urmari in mod special urmatoarele actiuni:

• În cadrul actiunilor permanente (G) se considera:

– greutatea proprie efectiva a elementelor structurale si nestructurale, – impingerea efectiva (presiunea) a pamantului;

– greutatea efectiva a umpluturilor etc.;

– efectul precomprimarii elemen­telor sau a structurii.

• În cadrul actiunilor variabile (Q) se au in vedere:

– greutatea unor elemente nestruc­turale (autoportante) care pot fi mutate (peretii despartitori la structurile cu partiu flexibil);

– greutatea utilajelor, agregatelor, materialelor depozitate, mobilierului, aparatelor, oamenilor etc., specifica exploatarii si destinatiei constructiei;

– presiunea gazelor, lichidelor sau mediilor pulverulente in conducte sau recipiente (buncare, silozuri etc.), impingerile din materialele depozitate etc., care apar in timpul exploatarii constructiei;

– presiunea hidrostatica si hidro­dinamica a apei asupra constructiei;

– incarcarile cauzate de mijloa­cele de ridicare si transport (poduri rulante, benzi transportoare etc.);

– incarcari aparute in timpul repararii, intretinerii constructiei;

– incarcarile dinamice cauzate de utilajele stationare sau mobile (efec­tele tranzitorii la cuplarea si decuplarea utilajelor), efectele de soc;

– deplasarile neuniforme ale terenului de fundare, inexactitatile de montaj etc.,

– actiunile climatice cauzate de zapada, grindina, chiciura, gheata, vant (inclusiv actiunea rafalelor), variatia de temperatura, insorirea etc.

• În cadrul actiunilor accidentale (A), care apar foarte rar, se consi­dera:

– actiunile seismice;

– incarcari cauzate de inundatii catastrofale si fenomene de tip tsunami;

– incarcari cauzate de uragane;

– incarcari provenite din defec­tarea unor utilaje (ruperi de cabluri) sau cauzate de ruperea unor elemente de constructie;

– incarcari provenite din deplasari mari de reazeme ca urmare a perturbarii sensibile a terenului de fundare (lucrari subterane);

– incarcari cu caracter de soc cau­zate de ciocnirea vehiculelor, explozii, boom-ul sonic etc.

ASPECTE DE ANALIZA STRUCTURALA

Discontinuitatile structurale (goluri, rosturi deschise total sau partial, chiar si rosturile constructive), in anumite conditii de propagare catas­trofica, pot conduce la colapsul structurii [18].

Ruperea, adica separarea unei parti de material structural din cauza solicitarilor, se produce prin propagarea fisurilor, crapaturilor, cu anumita viteza. Viteza de propagare a fisurilor este in functie de defectele interne (microfisuri, neomogenitati, incluziuni de diferite materiale) si de existenta macrodefectelor (fracturi, goluri, rosturi) (fig. 4).

Studiul acestor fenomene se poate realiza microscopic sau macroscopic. În cazul structurilor din beton armat cu pereti subtiri calea principala este studiul macroscopic si, numai intr-o masura mica, studiul microscopic.

Ruperea poate fi fragila, adica distrugerea legaturilor se face brusc, fara deformatii plastice, sau ductila, cu deformatii plastice considerabile.

Structurile din beton armat au in general, un comportament cvasi-fragil.

Geometria fisurilor (crapaturilor) este direct legata de starea de eforturi existenta in zona respectiva. În acest sens este decisiva observarea miscarii relative a suprafetelor de rupere aflate in zona fisurii.

Aceasta miscare relativa se poate descrie prin cele trei moduri cinematice fundamentale, cu mentiunea ca, la structurile istorice, rupe­rile sunt caracterizate prin deplasari mari ale frontului fisurii (modul 1) (fig. 5).

Pentru modelarea structurala a unui sistem de proiectare integrat destinat studiului initierii si propagarii fisurilor in corpuri 3D, in varianta liniar elastica sau neliniar elastica, este necesara cunoasterea facto­rului de intensitate a eforturilor, notat cu K sau SIF (Stress Intensity Factor) si a deplasarii critice de deschidere a fisurii. Elementele finite folosite pentru modelarea structurala pot fi realizate prin modificarea proprietatilor elastice ale materialului de baza, prin dublarea nodurilor sau prin utilizarea unor elemente finite de tip „fara tensiune“ (no tension), [19].

Analiza structurala se recomanda a fi realizata tinand seama de fenomenele de neliniaritate. Aceasta se efectueaza de obicei iterativ si este mai complicata deoarece, in cazul problemelor concrete, cauzele de neliniaritate mentionate se intrepatrund si se influenteaza reciproc.

Trebuie retinut insa faptul ca analiza statica de ordinul I reprezinta o etapa de calcul fundamentala, care se va aplica si pentru pasii succesivi din analiza neliniara [20], [21], [22].

Calculul de ordinal III prezinta importanta la analiza structurilor cu deformatii mari (de tipul structurilor cu invelitoare foarte subtire), avand in vedere ca acesta poate da informatii cu privire la natura instabi­litatii (bifurcarea sau divergenta echilibrului).

În cazul structurilor din beton armat cu pereti subtiri, care in gene­ral se deformeaza in timp, trebuie efectuat si un calcul static biografic (se tine seama de istoria incarcarilor si deformatiilor), care necesita aplicarea unor metode matematice adecvate (transformari de tip Laplace, care traduc ecuatiile dife­rentiale neliniare de stare reale sub forma unui sistem de ecuatii obisnuite in domeniul imaginii, iar dupa rezolvarea acestora devine posibila, printr-o noua transformare, readucerea solutiilor in domeniul real) [23].

Se vede astfel ca modelul structural este puternic influentat de incertitudinile determinarilor in situ, de posibilitatile de reprezentare si de precizia de masurare folosita.

Efectul mecanic al discontinuitatilor structurale depinde de legatura dintre starea de eforturi si aparitia si propagarea fisurilor (crapa­turilor) pana la colaps.

Un aspect al acestor discontinuitati il reprezinta micsorarea deformatiilor specifice in raspunsul materialului sub solicitari, in stransa legatura cu efectul de scara. Dimi­nuarea deformatiilor specifice permite localizarea discontinuitatilor.

Aceste aspecte sunt strans legate de calitatea betonului structural, de umiditatea, temperatura, poro­zitatea, presiunea in pori si vechi­mea structurii.

Dupa cum se constata, sunt necesare multe determinari pentru stabilirea acestor parametri.

Daca exista posibilitatea recoltarii unor carote din materialul structural, pentru incercari experimentale se poate folosi utilajul tip TESTSTAR II (SUA) cu circuit inchis (CLOSED LOOP), care are in componenta urmatoarele: calculator electronic, controlor digital,unitate de incercare si o presa hidraulica [24].

CONCLUZII

Expertizarea structurala a constructiilor din beton armat cu pereti subtiri depinde in totalitate de identificarea corecta a structurii existente in situ.

Pe langa incercarile nedistructive in situ, sunt necesare si relevari, modelari geometrice pretentioase si determinari exacte ale defectiunilor. În acest sens, in reviste de specialitate sunt trecute metode moderne de abordare, precum metoda Impact-Echo, metoda Termografiei in infrarosu si metoda Identificarii dinamice in situ.

În ceea ce priveste analiza structurala, pe langa metodologiile clasice, se recomanda si un calcul static biografic (ce tine seama de istoria incarcarilor si deformatiilor), care necesita aplicarea unor metode matematice adecvate.

BIBLIOGRAFIE

[1] Ille, V., Kopenetz, L., Cupola Teatrului Maghiar din Cluj-Napoca. Simpozionul National “Istoria tehnicii pe teritoriul RSR”, Cluj-Napoca, 1983, fasc.1, pag.1-4.

[2] Lee, L.T., Collins, J.D., Engineering Risk Management for Structures. Journal of the Structural Division, ASCE 103, No.ST9, 1977, pag.1739-1756.

[3] * * * EUROCODE 8, Part.1.4, Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures. General Rules, Strenthening and Repair of Buildings. 1998.

[4] * * * COD DE PROIECTARE SEISMICA, Partea 1, Prevederi de proiectare pentru cladiri. Indicativ P100-1/2006.

[5] * * * NORMATIV DE PROIECTARE, Proiectarea antiseismica a constructiilor de locuinte, social-culturale, agrozootehnice si industriale. Indicativ P100-92.

[6] Kopenetz, L., Catarig, A., Structural Analysis of Tall Light Structures. Acta Technica Napocensis, nr. 49, Cluj-Napoca, 2006, pag. 111-114.

[7] Kopenetz, L., Damage and Repair of a Concrete Reservoir. M. Epitoipar, No. 11, Budapest, 1990, pag. 527-528.

[8] Bopp, H., Krauss, H., An Orientation and Calibration Method for Non-Topographic Aplications. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, No.9, 1978, pag.1191-1196.

[9] Edler, K., Stephani, M., An Ancient Procedure for Recording Monuments Based on a Hand Operated Camera System. Symposium Internacional ICOMOS “Fotogrametria Y Representation de la Arquitectura“, Granada, 1987.

[10] Ahlberg, J.H., Nilson, E.N., Walsh, J.L., The theory of Splines and their Application. Academic Press, New York, 1967.

[11] Williams, T.J., Sansalone, M., Streett, W.B., Poston, R., Nondestructive Evaluation of Masonry Structures Using Impact Echo Method. TMS Journal, The Masonry Society, Vol.15, No.1, pag.47-57.

[12] Maldague, X.P.V., Nondes­tructive Evaluation of Materials by Infrared Thermography. Springer Verlag, London, Berlin, Heidelberg, New York, 1992.

[13] Kopenetz, L., Nonlinear FEM Analysis of Cable and Membranes Structures. A VI-a Conferinta de Constructii metalice, Vol. 2, Timisoara, 1991, pag.156-161.

[14] Kopenetz, L., Entfuerfsgrundlagen fur Eine Leichtbauhalle. A VI-a Conferinta de Constructii metalice, Vol. 2, Timisoara, 1991, pag.162-170.

[15] Kopenetz, L., Ausfuhrung­sentwurf fur die Verdoppelung der Ablagerungskapazitat einer Halle ohne Konstruktions Flachemodifizierung. A VI-a Conferinta de Constructii metalice, Vol.2, Timisoara, 1991, pag.315-322.

[16] Catarig, A., Kopenetz, L., Investigation, Analysis and Restauration of Reinforced Concrete Structures in Aggressive Surroundings. În: Proceedings of teh FIP’92 Symposium, vol.3, Budapest, 1992, pag.59-64.

[17] Catarig, A., Kopenetz, L., Alexa, P., Controlling and Numerical Simulating Problems of Concrete Corrosion and New Strengthening Methods. În: Proceedings of the 17th Conference on „Our World in Concrete Structures“, Singapore, 1992, pag.111-114.

[18] Atkinson, B.K., Fracture Mechanics of Rock. Ed. by Atkinson, 1987.

[19] Kopenetz, L., Ionescu, A., Lightweight Roof for Dwellings. IAHS, International Journal for Housing and its Aplication, Vol.9, No.3, Miami, 1985, pag. 213-220.

[20] Catarig, A., Kopenetz, L., Alexa, P., A New Conception for Reinforced Concrete Membrane Structures. Proceedings of the International Conference on „The Concrete Future“, Kuala Lumpur (Malaysia), 1993, pag.101-104.

[21] Catarig, A., Kopenetz, L., Alexa, P., Rehabilitation of Structures via Membranes. Proceedings of the Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco (Mexico), 1996, Paper No.512.

[22] Kopenetz, L., Kollo, G., Problems of Applied Statics. International Conference of Civil Engineering and Architecture, Sumuleu, 2004, pag.243-246.

[23] Kopenetz, L., Catarig, A., Alexa, P., Setting the Form of Light Membrane Structures. Proceedings of International Conference Performance based Engineering for 21st Century, Iasi, 2004, pag.251-256.

[24] Kopenetz, L., Statical Aspects and Economical Requirements of Load-bearing Structure. International Conference of Civil Engineering and Architecture, Sumuleu, 2006, pag. 151-153.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 47 – aprilie 2009

Autori:
prof. dr. ing. Alexandru CATARIG;
prof. dr. ing. Ludovic KOPENETZ – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca