Cutremurul si constructiile (IV). Spicuiri

(Continuare din nr. 127, iulie 2016)

In legatura cu proiectarea cladirilor, se poate pune problema daca acestea trebue executate cu schelet elastic sau rigid.

In favoarea scheletului elastic ar pleda faptul ca o deformatie pronuntata permite ca energia introdusa prin socul undei seismice in constructie sa se transforme in energie de deformatie elastica pe un parcurs mai lung, micsorand, prin aceasta, eforturile interioare. Pornind de la o asemenea idee, numerosi autori au preconizat constructia scheletelor flexibile. S-a citat in America un exemplu in favoarea acestei solutii, Hotelul Carillo din Santa Barbara care a rezistat bine la cutremurul din 29 iunie 1925, alegandu-se doar cu capetele coloanelor macinate.

Din punct de vedere mecanic, pro­blema a fost studiata recent (in 1928) de Lydik I. Jakobsen, de la Stanhope University din California, cunoscut pentru lucrarile lui in domeniul seismologiei. Concluziile lui sunt ca, pentru cladirile cu inal­time nu prea mare, avand perioadele de vibratii proprii mari, etajul inferior nu trebue sa fie prea elastic. Etajele inferioare elastice apara suprastructura numai pentru miscari ale solului cu frecventa mare. Cum frecventa undelor seismice este relativ mica, nu pare indicata solutia constructiunilor prea deformabile. De altfel, Freeman, analizand efectele cutremurelor de la Charleston in 1886, San Francisco 1906, Santa Barbara 1925, Tokio 1925, precum si folosind concluziunile Comisiunei de cutre­mure din California, al comitetului inginerilor civili din America, ca si studiile lui W. L. Huber si ale altora, ajunge la concluzia ca cel mai bine la actiunea cutremurelor au rezistat constructiunile rigide.

La aceleasi concluziuni ajunge si comitetul Italian instituit in 1909 dupa cutremurul din Messina si Calabria, aratand ca suprastructura trebuie sa fie solid legata de fundatii, astfel ca socul transmis fundatiilor sa fie sincron cu cel transmis intregii cladiri.

In concluziunile publicate in 1928, Henry D. Dewell spune ca: „Supra­structura trebue sa fie construita astfel incat sa dea efectul unei singure mase contra cutremurului, rigiditatea fiind esentialul. Contravantuiri in diagonale trebue sa fie utilizate unde aceasta este posibil iar acolo unde golurile nu permit, trebue sa fie folosite diagonale intregi contrafise puternice”.

In Bule­tinul Societatii Seismologice din America, in 1929, profesorul R. R. Martel demonstreaza ca flexibilitatea prea mare a suportului constructiunii este dezastruoasa, aratand, in special, ca aceasta nu reduce acceleratia partilor superioare ale cladirii atunci cand perioada vibratiei seismice este mai mare ca aceea proprie a cladirii. Experiente de laborator au verificat conclu­ziunile lui teoretice.

Ca titlu de curiozitate putem cita o solutie imaginata de inginerul Viscardini pentru a realiza o constructiune care sa reziste la actiunea cutremurului. Pornind de la ideia de a impiedica transmiterea fortei produsa prin socul undei seismice la supra­structura constructiunii, Viscardini a preconizat introducerea deasupra fundatiilor, la nivelul terenului, a unor articulatii. La zidurile exterioare, articulatiile ar fi facute pe rulouri, iar la cele interioare prin articulatii sferice. Amortizarea deplasarilor laterale se obtine prin inclinarea planelor pe care se misca rulourile articulatiilor, care prin depla­sarea verticala a cladirii ar absorbi un lucru mecanic important, provocand o franare a miscarii.

Pana astazi solutia preconizata de Viscardini a ramas in stare de proiect.

Din punct de vedere practic se pune, inca, problema costului constructiunilor acestora, rezistente la cutremur. In aceasta pri­vinta datele sunt foarte greu de gasit.

In tratatul sau, Freeman arata ca, in Japonia, sporul de cost pentru imobile comerciale mici, calculate pentru a rezista la cutremur, a fost de 10-15% fata de imobilele obis­nuite.

Robins Fleming arata ca, pentru Banca Mitsui din Tokyo, calculata de S. C. Weisskopf din New-York, sporul de cost pentru a rezista la cutremur este de 10%, sarpanta metalica fiind de doua ori mai grea ca aceea pentru constructia obisnuita.

Tot dupa Fleming, in privinta cladirilor cu schelet metalic, in afara de regiunea coastei Pacificului, costul acestui schelet pentru cladiri de 10-12 etaje, calculat sa reziste la cutremur, nu va prezenta un spor mai mare de 10%, ba chiar 5%, in care caz, acest spor nu ar reprezenta nici chiar 1% din costul total al constructiunii.

In fine, pentru o constructiune executata in San Jose (Costa Rica), Franz Hofweber arata ca sporul pentru constructia aseismica din beton armat ar fi reprezentat 11,5% din costul total al constructiunii normale fara suplimente, aratand bunaoara ca, pentru stalpi, betonul armat ar fi trecut de la 21,5 m3 la 28,2 m3, iar fierul de la 4.350 kg la 8.230 kg.

In rezumat, am putea spune ca surplusul de cost pentru constructiuni in schelete de rezistenta dimensionate ca sa reziste la un cutremur de 0,1 G acceleratie orizontala se mentine in limita a 10% din costul total al cladrii.

Bineinteles ca pentru tara noastra, unde cutremurul nu a avut intensitatea celor din Japonia si America, ar fi exagerat sa impunem conditiuni prea grele. Sieberg, in tratatul de fundatii al lui Brennecke, recomanda ca numai cladirile impor­tante sa se calculeze la actiunea cutremurului.

Cred ca s-ar putea impune asemenea conditiuni pentru cladiri de mare importanta, admitand drept coeficient de seismicitate 1/20, respectiv calculand la o forta orizontala de 1/20 din greutate.

Pentru celelalte constructiuni cu schelete de rezistenta, apli­carea stricta a prevederilor circularei de beton armat germane ar fi suficienta la noi in tara. In genere, constructiunile dimen­sionate si executate in conformitate cu aceste prescriptiuni si care nu au avut greseli de conceptie, s-au mentinut in foarte buna stare la recentul cutremur. La aceste constructiuni ar trebui, inca, avute in vedere anumite masuri care fie lipsesc, fie nu sunt suficient accentuate in circulara si anume:

Sa se calculeze constructia si la actiunea vantului, socotita presiune orizontala de 100 kg/m2.

Constructia sa fie cat mai rigid intocmita, introducand eventual pereti da rigidizare din beton armat. In special la scari asemenea pereti s-au dovedit de mare folos.

Astfel de dispozitiuni au fost adoptate recent in Agram la doua constructiuni mari, calculate pentru a rezista la cutremur, dupa cum mi-a comunicat misiunea croata care a cercetat tara noastra dupa cutremur.

Scheletul din beton armat sa fie executat odata cu zidaria de umplutura, iar la aceasta sa fie folosit mortar de ciment. Toti cercetatorii japonezi si americani sunt unanimi in a recu­noaste ca, executate in acest fel, constructiunile, desi nu au fost dimensionate pentru forte orizontale, au rezistat in cele mai bune conditiuni la cutremur. Acest lucru l-am putut constata si aici in tara la noi.

Stalpii de sustinere sa fie dimensionati pe baza rezistetelor celor mai mici prescrise de circulara, avand un procent de armare de cel putin 1%, armaturi de cel putin 15 mm diametru. La innadirea stalpilor, petrecerile fiarelor sa fie suficiente, de cel putin 30 ori diametrul, etrieri suficienti si repartizati si pe inaltimea corespunzatoare grinzilor care se termina in stalpi. Turnarea betonului sa se faca cu deosebita ingrijire, mai ales la capetele stalpilor. Se recomanda, de asemenea, introducerea unor armaturi inclinate cu 45° in dreptul racordarii stalpului cu planseul superior, pentru preluarea eforturilor principale in noduri. Cercetarile facute la Universitatea din Illinois, pe baza de experiente directe, au aratat ca vutele la stalpi nu prezinta avantaje prea mari, fiind de preferat armaturi suplimentare.

In sectiune, stalpii sa nu prezinte o grosime prea mica, aceasta din cauza modului desavantajos in care lucreaza la forfecare, asa cum am aratat. Latimea minima de 28 cm si un raport de cel putin 1/4 intre laturile dreptunghiului ar trebui sa fie respectat.

In constructiunile cu retrageri, stalpii sa fie, pe cat posibil, continui. Atunci cand, totusi, stalpii ar urma sa rezeme pe grinzi, sa nu se admita decat rezemari de primul ordin, iar grinzile sa fie verificate si pentru o incarcare egala cu 1,5 din actiunea cores­punzatoare greutatii permanente transmise de stalpi. Complexul de sustinere al stalpului sa fie calculat dupa teoria cadrelor.

Consolele sa fie dimensionate la o incarcare de 1,5 ori cea statica, pentru a tine seama de actiunea dinamica produsa in timpul cutremurului.

Aceste cateva reguli de calcul si executie nu greveaza decat intr-o masura extrem de redusa costul total al lucrarilor si in schimb, asigura constructiunile contra efectelor cutremu­relor de intensitatea celui ce a bantuit tara noastra.

Trecand acum la constructiunile din zidarie masiva, observam ca prima masura pe care trebue sa o luam este de a realiza o capacitate de rezistenta la tensiune a zidariei. In aceasta pri­vinta, toate normele si prescriptiunile, precum si toti cercetatorii straini sunt unanimi in a prescrie utilizarea de mortar din ciment.

Prima conditie esentiala va fi, deci, utilizarea de mortar din ciment pentru executia zidariilor. Pentru a usura executia se poate indulci mortarul cu adaos de var, minimul de ciment utilizat pentru cladiri de mica importanta fiind de 100 kg ciment, la un amestec de 1/3 m3 pasta de var si 1 m3 nisip.

In legatura cu aceasta trebue sa accentuam asupra importantei deo­sebite pe care o reprezinta calitatea nisipului utilizat la prepararea mor­tarului. Toti autorii straini au ajuns la concluzia ca acele constructiuni din zidarie care au suferit de pe urma cutremurului prezentau un mortar de proasta calitate. Nisipurile fine, cu amestec de argila, sunt in aceasta privinta foarte rele si nu trebuesc folosite. Aceasta problema este una din cele mai greu de solutionat deoarece sunt regiuni intregi unde nu se gasesc nisipuri de calitate buna iar aducerea nisipului bun ar conduce la un cost prohibitiv. O eventuala spalare a nisipului si marirea doza­jului de ciment, impreuna cu o executie ingrijita, ar putea ame­liora calitatea zidariei.

In afara de aceste observatiuni privind materialul zidariei, problema constructiunilor masive, capabile sa reziste la actiunea cutremurelor, pre­zinta inca o serie de aspecte cu caracter general si particular, pe care le vom rezuma in cele ce urmeaza.

In primul rand, din punct de vedere al conceptiei generale, constructia trebue astfel intocmita incat transmisia fortelor la fundatii sa se faca direct, fara a produce momente sau forfecari in masivele de zidarie. Se vor evita deschiderile de usi sau ferestre la colturi sau in imediata lor apropiere, iar acolo unde aceasta nu este posibil se va prevedea o consolidare cu beton armat. Se va cauta a se realiza o concordanta cat mai perfecta intre centrul de greutate al planseelor si centrul de elasticitate al reazemelor de sustinere ale planseului, folosind indicatiunile date mai inainte.

In al doilea rand, constructia se va executa dupa „toate regulile artei constructive”. In aceste patru cuvinte se rezuma secretul constructiunilor masive capabile de a rezista la cutremur iar aceasta specificare o gasim si la auto­rii japonezi si la cei americani si in instructiunile de tot felul, incepand cu cele americane si sfarsind cu cele italiene.

Astfel, la art. 5 al. c al instructiunilor italiene se specifica: „zidariile trebue sa fie executate dupa cele mai bune reguli ale artei, cu materiale bune si cu mana de lucru ingrijita”. Aceasta specificare este prea vaga, chiar pentru marea majoritate a constructorilor si de aceea voim sa precizam unele puncte in legatura cu aceasta.

Am vazut ca defectul zidariei este lipsa de rezistenta la tensiune si am aratat ca, peste tot, se recomanda utilizarea mortarului din ciment. Pe langa aceasta, trebue, insa, sa introducem legaturi capabile de a prelua tensiuni si sa solidarizeze intreaga construc­tiune. O legatura perfecta se obtine cu plansee din beton armat care, pe langa legarea zidurilor intre ele, repartizeaza fortele de inertie pe intreaga zidarie, permitand cladirii sa actioneze ca un monolit. De aceea, vom cauta, in primul rand, sa realizam plansee din beton armat.

Zidurile exterioare si cele interioare vor trebui inca legate printr-o grinda de centura, care sa serveasca si ca incadrament al planseului.

La constructiunile unde se utilizeaza plansee din grinzi metalice sau din lemn, se recomanda sa se execute centuri din beton armat pentru legatura zidariei si sa se lege grinzile de zidarie. O lipsa a unei bune legaturi poate da loc la dislocari. In special zidurile care merg paralel cu grinzile, trebue legate de acestea spre a impiedeca deplasarea lor laterala.

Prescriptiunile italiene din 1937 prevad ca, la toate zidurile exterioare si la cele interioare de rezistenta, sa se aseze in dreptul planseelor centuri din beton armat cu 4 fiare de 14 mm otel moale sau de 12 mm otel dur, cu etrieri de cel putin 5 mm diametru si la cel mult 30 cm distanta.

Grinzile metalice se prevad sa fie rezemate pe cel putin 2/3 din latimea zidului si sa fie ancorate de acestea.

In privinta deschiderilor, utilizarea boltilor trebuieste complet prohibita. Buiandrugii cei mai buni sunt cei din beton armat. Cei metalici, din cauza greutatii specifice mari in raport cu zidaria, pot fi dislocati cu usurinta de fortele de inertie. Reazemele trebue sa fie destul de mari, prescriptiunile ita­liene stabilind un minimum de 40 cm pentru un reazam.

Deschiderile ferestrelor, ca si ale usilor, trebue sa fie sufi­cient de departate de colturile cladirii. Si instructiunile ame­ricane accentueaza acest lucru, iar prescriptiunile italiene fixeaza la 1,50 m distanta de la coltul cladirii la marginea des­chiderii.

In fine, pentru a realiza contravantuirea cladirii, zidurile trebue sa fie legate intre ele prin ziduri de rezistenta la distante nu prea mari.

Prescriptiunile italiene fixeaza la 6 m distanta intre zidurile de legatura transversala pentru constructiunile de cate­goria I si de 9 m pentru cele de a II-a categorie.

Si grosimile minime ale zidurilor, necesare pentru a asigura stabilitatea, trebuesc avute in vedere. Este evident ca aceasta grosi­me va fi in functie de inaltimea libera a zidu­lui, ca si de inaltimea cladirii. Prescriptiile italiene prevad o serie de dispozitii dupa mate­rialul utilizat si dupa inaltimea zidului si nu­marul etajelor.

Tinand seama de conditiunile de la noi din tara cred ca, pentru zidurile exterioare, ar trebui fixata o grosime mi­nima de 42 cm la cladirile avand parter si etaj; de altfel, aceasta grosime este impusa pentru o buna izolare termica a constructiunilor.

In fine, zidurile de rezistenta trebue duse pana la fundatie, neputandu-se admite ziduri de rezistenta sustinute pe grinzi.

De asemenea, in legatura cu alcatuirea zidurilor trebuie sa accentuam ca nu se recomanda utilizarea de caramizi gaurite sau executia de ziduri cu goluri, dupa sistemul cunoscut sub numele de american.

La constructiunile in console trebue sa relevam ace­leasi conditii pe care le-am vazut la betonul armat. Prescriptiunile italiene fixeaza la 1 m iesitura maxima a balcoanelor, oprind, insa, constructiunile in bowindow. Cornisele vor avea cel mult 80 cm, insa vor trebui legate de planseu.

Doua probleme delicate din punct de vedere al sensibili­tatii la cutremur il constitue calcanele si cosurile. Calcanele ar trebui sa fie executate de 28 cm grosime, cu mortar din ci­ment si prevazute cu centuri din beton armat, pentru asigurarea stabilitatii zidului. Experiente bune am avut la o fabrica din Bucuresti cu un calcan de vreo 5 m inaltime si de vreo 30 m lungime, care n-a avut niciun zid transversal de legatura, fiind, in schimb, prevazut cu stalpi din beton armat la 5-6 m distanta. Ar fi recomandabil ca zidurile de calcan sa nu intreaca 4 m in inaltime. De asemenea, este recomandabil ca sa se lege prin ancore suficiente zidurile de calcan de fermele invelitoarei, care insa vor fi suficient de bine contravantuite.

Problema cosurilor este, si ea, una din cele mai importante, mai ales prin pagubele indirecte pro­vocate de ­caderea lor.

In cazul cand avem plansee din beton armat, executia de armaturi longitudinale ancorate in planseu si etrieri la 30-40 cm distanta, ziditi in zidaria cosurilor, totul acoperit cu tencuiala de ciment, se obtin ancorari suficiente. Astfel, un cos de 7 m inaltime, prevazut cu 8 ancore de 8 mm grosime, s-a comportat foarte bine la cutremur. Pentru cosuri mai mici, imbracarea cu rabitz, unita cu ancorarea de zidul inferior, sau imbracarea cu tabla de fier da rezultate foarte bune.

In fine, pentru acoperisuri, se cere ca fermele sa fie bine contravantuite pentru a impiedeca deformatiunile prea accen­tuate.

Invelitorile usoare vor fi preferate acelora grele, care vor trebui sa fie sprijinite de ferme solide si puternic contravantuite in toate directiunile.

O problema legata de constructiuni este aceea a instala­tiilor. Sunt inde­obste cunoscute de constructori distrugerile facute de catre instalator in zidarie si chiar in scheletele din beton armat, pentru fixarea conductelor; chiar santurile lasate de la inceput pentru conductele caloriferelor s-au aratat ca puncte slabe ale zidariei, provocand craparea ei in dreptul acestor canale.

Crapaturile au fost si mai accentuate acolo unde cana­lele au fost cioplite in zidarie, din cauza distrugerii provocata prin dislocarea caramizilor in timpul cioplirii. In aceasta privinta, prescrip­tiunile italiene prevad ca, in niciun caz conductele de orice fel, nu trebue sa atace grosimea zidurilor.

Rezolvarea in bune conditiuni a acestei probleme este grea. Asa cum am spus, santuri lasate de la inceput in grosimea zidului sunt puncte slabe ale zidariei, unde se vor produce crapaturi si chiar dislocari de ziduri. Cel mai bun sistem, din punct de vedere al rezistentei, este de a lasa conductele de orice fel vizibile, lucru ce nu cadreaza, insa, cu principiile estetice moderne.

(Va urma) 

Autor:
prof. Aurel A. Beles

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 128 – august 2016, pag. 63