Proiect si solutii constructive pentru scara din sticla a unei cladiri de birouri

Structurile din sticla sunt structuri cu un impact vizual deosebit, care pot pune mai bine in valoare cladirile din care fac parte. Pe langa fatadele din sticla, care permit o mare libertate de exprimare arhitectonica si care se folosesc, in mod curent, la cladirile de birouri, structurile din sticla pot deveni prezente de referinta in conditiile unui control al comportarii la solicitarile ce provin din exploatarea lor. De aceea, credem ca aceasta lucrare aduce in atentia mediului ingineresc structurile din sticla, ca o solutie cu perspective interesante.

Lucrarea de fata prezinta proiectul scarii din sticla aflate la primul nivel al cladirii de birouri Crystal Tower din Bucuresti. Scara se distinge prin gabarit si solutie tehnica. Pentru determinarea comportarii acesteia si a parametrilor fizico-mecanici ai sticlei, au fost efectuate 14 teste, in situ, pe trepte din sticla incastrate la un capat. Dimensionarea si verificarea structurii scarii s-a realizat folosind un model de calcul bazat pe metoda elementului finit.

Sticla este un material folosit tot mai frecvent in constructii, fie la anveloparea cladirilor, fie ca elemente nestructurale la peretii de compartimentare, copertine, luminatoare sau scari. Deoarece sticla, ca material anizotrop, are un comportament casant, fragil, folosirea ca element de rezistenta trebuie sa tina seama de eventualele situatii ce pot decurge prin spargerea ei.

Sticla este un material cu un modul de elasticitate redus, de aproximativ cinci ori mai mic decat al otelului; deformabilitatea ridicata a sticlei necesita solutii structurale care sa limiteze deformatiile la valorile cerute de normative.

Sticla folosita in constructii este, in general, fie sticla obisnuita, fie sticla semisecu­rizata sau securizata. Obtinerea ei necesita diferite tratamente termice. Sticla obisnuita se sparge in bucati mari, in timp ce sticla securizata in elemente foarte mici, de ordinul milimetrilor. Nu doar modul de spargere diferentiaza cele doua ca­tegorii, ci si caracteristicile fizico-mecanice. Astfel, sticla securi­zata are rezistente de aproape doua ori mai mari decat cea obisnuita si deformabilitate mai mare. In schimb, comportarea sticlei securizate, dupa initierea spargerii, este necontrolabila, spargerea propagandu-se, aproape instantaneu, in toata masa, facand necesara inlocuirea ei.

Descrierea proiectului si a solutiei constructive

Cladirea de birouri Crystal Tower are, deasupra terenului, 15 niveluri si un etaj tehnic. Solutia structurala este una duala, reprezentata de pereti si cadre din beton armat cu armatura rigida. La primul nivel, in dreptul intrarii in cladire, se afla o scara din sticla, care face legatura, pe verticala, intre parter si primul etaj, aflat la cota 6,00 m. Scara are doua elemente care ii confera un caracter de noutate in Romania: este prima scara avand elemente structurale vizibile complet din sticla si are o lungime mare, de aproximativ 13 m (fig. 1).

Solutia constructiva a fost gandita de arhitectul Ion Croitoru, verificarea si testele au fost facute de colectivul de la UTCB, iar executia si montajul de societatea Glass Expert.

Scara din sticla are o singura rampa, cu un podest intermediar. Din punct de vedere al solutiei structurale, treptele din sticla ale scarii sunt in consola, fiind incastrate in stalpi metalici rezemati in trei puncte. La capatul liber se afla o grinda de vang, cu rol si de parapet, alcatuita tot din sticla. Grinda de vang este rezemata la cota zero si la nivelul primului etaj. Podestul intermediar este rezemat la nivelul grinzii de vang si conlucreaza, prin intermediul acesteia, cu o grinda de podest situata la mijlocul acestuia. Grinda de podest este, de asemenea, din sticla, fiind rezemata la un capat pe grinda de vang si incastrata, la celalalt capat, in stalpii me­talici.

Datorita gabaritului sau a posibi­litatilor de productie si transport, grinda de vang este alcatuita din trei tronsoane. Continuizarea lor se rea­lizeaza prin intermediul unor eclise din sticla si a mainii curente, gandita ca un element metalic continuu, rezemat pe grinda de vang-parapet.

Eclisa de continuizare a grinzii de vang este tot din sticla si este tronsonata in 4 segmente, cu rosturi in sectiuni diferite fata de rosturile grinzii de vang. Legatura dintre trepte si podest sau intre grinda de podest, grinda de vang si eclisa de continuizare se face prin intermediul unor piese metalice, care strapung grinda de vang si eclisa (fig. 1).

Pentru a impiedica pierderea stabilitatii grinzii de vang la capatul superior al acesteia rezemarea se face atat la nivelul placii din beton de la parter cat si prin intermediul unui parapet din sticla ce urmareste golul de scara la nivelul superior.

Stalpii me­talici sunt plasati astfel incat sa se realizeze o cat mai buna incastrare a treptelor din sticla si sunt rezemati in cele doua placi din beton armat de la parter si etaj, precum si printr-o grinda metalica orizontala, la un nivel intermediar. Reazemul incastrat al treptelor din sticla in stalpii metalici se realizeaza prin intermediul unor casete meta­lice a caror comportare a fost verificata prin incercari in situ.

Toate elementele din sticla sunt din sticla clara, securizata. Treptele sunt alcatuite din 4 foi de cate 15 mm, cu o lungime de 1,61 m si o latime de 394 mm. Podestul intermediar, cu latimea de 96,2 cm, are aceeasi grosime cu a treptelor.

Grinda de vang si eclisele de continuizare sunt alcatuite din trei foi de sticla, avand fiecare 15 mm gro­sime. Grinda de podest are aceeasi grosime cu podestul si treptele din sticla, fiind asezata insa cu latura mare a sectiunii in plan vertical, ceea ce asigura o rigiditate sporita ansamblului.

Stalpii metalici, la nivelul carora se realizeaza incastrarea treptelor, sunt alcatuiti din profile metalice tip HE120B.

Incercarile in situ realizate pe o treapta din sticla

Pentru a determina parametrii fi­zico-mecanici ai sticlei, necesari modelului de calcul si verificarii ansamblului structural, precum si alcatuirea optima a treptei din sticla, au fost realizate o serie de incercari in situ pentru diferite variante constructive. In acest scop, s-au realizat incercari la scara reala pentru ansamblul alcatuit din treapta de sticla in consola si din caseta metalica de rezemare, la nivelul stalpilor me­talici. Ansamblul de testare  a constat dintr-un cadru metalic de reac­tiune, care permite incarcarea capatului consolei si din dispozitive de incarcare si de masurare a mari­mii fortelor si a deplasarilor (fig. 2).

Caseta metalica realizeaza incas­trarea treptei din sticla si transmite eforturile si deformatiile de la nivelul ei la stalpii metalici de rezemare. Contactul dintre treapta din sticla si caseta metalica se realizeaza prin intermediul unei placi de presiune. Deoarece prinderea casetei meta­lice de stalpii metalici se realizeaza prin sudura, incastrarea s-a realizat rigid, intr-un perete din beton armat.

Parametrii constructivi determinati pe baza incercarilor au fost:

• comportarea treptei, in functie de tipul de sticla folosit (obisnuita sau securizata);

• comportarea casetei metalice de incastrare (integritatea structurii case­tei, a sticlei in zona de rezemare si a placii de presiune);

• lungimea necesara pentru reali­zarea incastrarii;

• determinarea rotirii in reazem;

• obtinerea grosimii optime a trep­tei din sticla.

Pentru determinarea acestora s-au masurat parametrii: deplasarea maxi­ma la varful consolei/treptei asociata spargerii primei foi de sticla si incarcarea corespunzatoare, depla­sarea maxima la varful consolei / treptei asociata spargerii celei de-a doua foi de sticla si incarcarea cores­punzatoare, precum si frecventa proprie de vibratie a treptei incastrate. Pe baza incercarilor statice si dinamice, s-a urmarit evaluarea capacitatii si a rezervei de rezistenta a unei trepte, dupa spargerea unei foi de sticla, precum si a rigiditatii acesteia in regim dinamic.

Au fost efectuate 14 teste, folo­sind 4 grosimi de treapta si doua tipuri de sticla: trepte din sticla obisnuita, cu grosimi de 10 foi a cate 8 mm si respectiv, 9 foi a cate 10 mm si trepte din sticla securizata, cu grosimi de 7 foi a cate 12 mm si respectiv 4 foi a cate 15 mm. Pentru fiecare treapta incercata, lungimea de incastrare a fost considerata ca fiind de 50 cm, 40 cm, 33,5 cm si respectiv 29 cm.

Solutia aleasa in final, care a corespuns cerintelor de deformabilitate si de capacitate de rezistenta, a fost cea a treptei din sticla secu­rizata efectuate din 4 foi de cate 15 mm, cu o lungime de incastrare de 29 cm. Dupa efectuarea corectiilor necesare, datorita rotirii treptei in caseta de reazemare, valorile parametrilor masurati au fost:

• pentru treapta initiala, o incarcare maxima de 730 daN si o deplasare maxima la varf de 37 mm (fig. 3);

• dupa spargerea primei foi de sticla, o incarcare maxima de 590 daN si o deplasare maxima la varf de 49,37 mm;

• modulul de elasticitate longitudinal al sticlei: 4.242 kN/cm2;

• frecventa proprie de vibratie a treptei incastrate: 11,72 Hz (fig. 3).

Descrierea modelului de calcul

Dimensionarea elementelor struc­turale si verificarea comportarii ansamblului a fost realizata cu un model de calcul structural cu elemente finite. Programul de calcul folosit a fost AxisVM 10.

Modelul de calcul este alcatuit din elemente finite plane, de forma triunghiulara, cu 7 noduri si din elemente finite de bara cu 3 noduri. Treptele, grinda de vang, eclisa de continuizare si grinda de podest au fost modelate cu elemente finite plane corespunzatoare unui comportament de membrana si de placa incovoiata.

Stalpii metalici au fost modelati cu elemente finite de bara, avand, fiecare, sectiunile sau grosimea corespunzatoare. Modulul de elasticitate al sticlei este cel determinat in urma incercarilor pentru treapta din sticla securizata avand grosimea de 60 mm. Fiecare element component al grin­zii de vang si al eclisei de continuizare a fost modelat cu elemente finite distincte (fig. 4).

Legatura dintre treptele din sticla si stalpii meta­lici, ca si cea dintre trepte, grinda de vang si eclisa de continuizare, precum si cea dintre mana curenta si grinda de vang au fost modelate cu ajutorul unor elemente finite rigide de legatura, care transmit eforturile si deformatiile de la un element la altul.

Incarcarile caracteristice conside­rate au fost determinate conform normativelor in vigoare si s-au grupat cu coeficientii de grupare ceruti pentru fiecare din cele doua stari limita: starea limita ultima (gruparea fundamentala) si starea limita de serviciu, a exploatarii normale.

Gre­utatea proprie a elementelor a fost determinata automat de programul de calcul, pe baza volumelor si densitatii acestora. La nivelul fiecarei trepte si a podestului s-a considerat o incarcare uniform distribuita pe suprafata de 400 daN/m2. In plus, la nivelul mainii curente a fost consi­derata o incarcare uniform distribuita liniar de 100 daN/m, care reprezinta impingerea laterala.

Deformatiile maxime obtinute la starea limita de serviciu in combinatia cea mai defavorabila de incarcari au valori sub limitele cerute de normativele de proiectare (0,5 mm componenta verticala). De asemenea, eforturile unitare maxime la nivelul elementelor din sticla si al elementelor metalice, pentru starea limita ultima si combinatia cea mai defavorabila de incarcari, au valori inferioare rezistentelor de calcul ale materialului. In cazul sticlei, comparatia s-a facut pentru efortul unitar principal maxim.

Un alt aspect care a interesat in analiza structurala, a fost compor­tarea scarii in regim dinamic ca efect al vibratiilor induse de circulatia oamenilor. Primul mod de vibratie semnificativ are o frecventa de 31,5 Hz, mult mai mare in raport cu valoarea masurata la incercari. Aceasta corespunde unei structuri mai rigide, ca efect al parapetului si grinzii podestului intermediar.

Referinte

AxisVM 10 – Inter-CAD Ltd., 1991-2011;

CR0-2005 – Cod de proiectare. Bazele proiectarii structurilor in constructii;

SR-EN 1993-1-1:2006 – Proiec­ta­rea structurilor din otel.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 92 – mai 2013, pag. 38

Autori:
s. l. dr. ing. Ovidiu Bogdan,
arh. Ion Croitoru,
s. l. dr. ing. Cristian Ghindea,
prof. dr. ing. Dan Cretu,
as. ing. Radu Cruciat – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Rezistenta Materialelor, Poduri si Tuneluri

(Din Revista AICPS, nr. 1-2/2012)