Aspecte ale evaluarii actiunii vantului pentru fatadele din sticla existente

Evolutia codurilor pentru determinarea actiunii vantului poate genera pentru fatadele din sticla necesitatea evaluarii structurale a acestora si impunerea unor masuri de inlocuire sau consolidare. Costurile unor astfel de interventii ar justifica aparitia unor norme de evaluare a acestor structuri la actiunea vantului si o clasificare a nivelului de oportunitate a acestor interventii. 

Fatadele din sticla sunt componente nestructurale des intalnite la cladirile nerezidentiale construite in perioada recenta. Acestea au o pondere de 10-20% din valoarea de investitie a cladirii. Intrucat aceasta categorie de componente nestructurale este, de regula, dimensionata de incarcarea data de actiunea vantului, modificarile valorilor de incarcare din diferitele normative de evaluare a actiunii vantului genereaza probleme comparabile cu cele produse de modificarea incarcarii date de actiunea seismica pentru structuri. Se ajunge, astfel, la situatia cand fatadele existente din perioada prestandard sa nu mai corespunda cerintelor de rezistenta actuale. Se pune intrebarea daca este nevoie de o expertizare a fatadelor existente si daca se impune consolidarea lor.

Pe de alta parte, consolidarea acestor tipuri de elemente nestructurale este, de cele mai multe ori, imposibila, facand necesara inlocuirea totala sau partiala a intregii fatade. Modificarea grosimii sticlei impune schimbarea acesteia pe intreaga suprafata a fatadei care, astfel, nu mai corespunde cerintelor de rezistenta sau deformabilitate, pe cand consolidarea elementelor structurale sau profilelor de tamplarie, ca si interventia la nivelul reazemelor fatadei, sunt operatii costisitoare din punctul de vedere al manoperei si costurilor. De aceea, modificarea in noile normative a valorilor incarcarii date de actiunea vantului trebuie sa aiba in vedere si costurile de interventie asupra unor asemenea tipuri de structuri si eventual, sa fie insotita de elaborarea unor norme de evaluare a integritatii structurale a fatadelor din sticla existente, dupa modelul evaluarii seismice a structurii cladirilor.

Evolutia presiunii dinamice a vantului in codurile de proiectare

Coeficientul de raspuns dinamic al constructiei amplifica sau reduce efectele actiunii vantului, pentru a tine seama de efectul de rezonanta si de cel al valorilor de varf nesimultane ale presiunii si suctiunii vantului. Determinarea acestuia necesita evaluarea vectorilor proprii si a perioadelor de vibratie ale structurii sau elementelor de fatada expuse actiunii vantului si o procedura de calcul complexa, matematizata si dificil de abordat de catre inginerii proiectanti, care este descrisa in codul de proiectare.

Pentru structurile cu regim mare de inaltime, de peste 30 de metri, cu fatade flexibile de tip perete cortina, evaluarea efectelor dinamice ale vantului trebuie sa urmareasca aceasta procedura de calcul. Suplimentar, pentru cladirile foarte inalte, la starea limita ultima se cere si verificarea acceleratiei de confort la varful cladirii. Mai mult, pentru grupurile de structuri zvelte trebuie sa se tina seama si de efectul de siaj.

Daca structurile au o perioada de vibratie mai mare de 1 secunda, codul de proiectare actual impune teste in tunelul aerodinamic pentru evaluarea efectelor de siaj. Este cazul, de exemplu, al cladirilor Sky Tower si Bucharest One, dar si a celorlalte invecinate (Nuzco Tower) din nordul Capitalei, al cladirilor de birouri din zona Pipera, Piata Victoriei, Piata Presei, sau altele similare. Testele in tunelul aerodinamic trebuie sa simuleze cladirile construite pe o zona de pana la de 25 de ori inaltimea cladirilor analizate, ceea ce conduce la modele complexe si la preturi ridicate pentru aceste studii.

In final, forta globala data de actiunea vantului va cumula componenta cvasistatica, componenta dinamica si componenta de frecare. Componenta cvasistatica necesita simularea unor scenarii diverse de reproducere a directiei de actiune a vantului si a presiunilor exterioare si eventual interioare pe fatade si acoperis. Numarul acestor scenarii este cu atat mai mare cu cat cladirea are o forma in plan si pe verticala mai complexa sau fatade permeabile la actiunea vantului. Evaluarea actiunii vantului ajunge, astfel, sa fie un proces laborios.

In codul de proiectare actual, CR 1-1-4 2012, apare clasificarea cladirilor pe categorii de importanta, clasificare inspirata din codurile americane, ceea ce conduce la o majorare cu 15% a presiunii vantului pentru cladirile de importanta majora sau cele inalte sau cu grad mare de ocupare, din categoriile I si II. O alta majorare provine din cresterea coeficientilor aerodinamici cu 20%, la valoarea de 1,2 pe zonele de colt ale peretilor verticali fata de 1,0 in vechiul normativ de proiectare NP 082-2004.

O alta sursa a cresterii presiunii vantului este modificarea hartii de zonare a presiunii de referinta. Actualul normativ indica, fata de NP 082-2004, o crestere a presiunii de referinta cu 20% in cea mai mare parte a teritoriului Moldovei si estul Munteniei (de la 0,5 kPa la 0,6 kPa) sau chiar cu 40% in zone restranse din jurul Buzaului (de la 0,5 kPa la 0,7 kPa) sau 50% in zone restranse din jurul Sibiului (de la 0,4 kPa la 0,6 kPa) si altele care pot fi observate din comparatia celor doua harti. Se ajunge astfel la cresterea valorilor de proiectare ale fortelor produse de actiunea vantului, intre aproximativ 66% si 100% pentru zonele de colt ale peretilor verticali ai cladirilor din categoria de importanta I si II, amplasate in zonele amintite (fig. 1).

In cazul Bucurestiului, pentru care presiunea de referinta nu s-a modificat fata de normativul din 2004, cresterea valorii de proiectare a actiunii vantului este de aproximativ 40% pentru zonele de fatada ale cladirilor din categoriile de importanta I si II.

Pentru a ilustra evolutia valorilor de calcul ale actiunii vantului pe fatadele unei cladiri, se va considera o cladire foarte inalta amplasata in Bucuresti, in zona periferica, la trei momente de timp diferite: in anii 90, intre 2004 si 2011 si dupa 2012. Aceasta cladire are in plan forma patrata cu dimensiunile de 30 de metri si o inaltime de 114 metri (P+29E). Se foloseste acest exemplu intrucat este prezentat si in Comentariile si exemplele de calcul la codul actual CR 1-1-4 2012. Cladirea este din categoria de importanta II, are o structura metalica si fatade de tip perete cortina. Valoarea de calcul a actiunii vantului la starea limita de rezistenta pentru gruparea fundamentala se determina pentru un perete vertical al fatadei, situat in zona de colt a cladirii, si pentru o directie a actiunii vantului care sa conduca la valori maxime ale coeficientilor aerodinamici (fig. 2).

Se poate observa ca fatadele tuturor cladirilor construite in Bucuresti pana in 2004 sunt dimensionate la o presiune a vantului superioara chiar si celor construite recent. Mai mult, normativul de calcul al actiunii vantului, STAS 10101-20-90, precizeaza ca, pentru elementele de fatada dimensionate preponderent de actiunea vantului, coeficientii de grupare se majoreaza cu 50% pentru cladirile de importanta ridicata. Aceasta conduce la valori ale presiunilor de calcul majorate cu 50% fata de cele indicate in reprezentarea grafica. Pornind de la o asemenea premisa, fatadele din sticla ale cladirilor construite pana in 2004 sunt semnificativ supradimensionate, fata de cele ale cladirilor recent construite.

Evolutia dupa 1990 a pietei cladirilor de birouri, pentru care se aleg in multe cazuri fatadele din sticla, prezinta o crestere semnificativa a acestui tip de fatade dupa anii 2000. Este, de aceea, posibil ca existenta unor fatade supradimensionate fata de cele actuale sa fie rar intalnita. Dupa anii 2004 a urmat o perioada de explozie a constructiilor si a fatadelor din sticla care a atins un varf in anii 2007 – 2008. Spre sfarsitul acestei perioade s-a proiectat si construit intr-un volum care a facut dificil controlul calitatii acestor procese, uneori facandu-se o evaluare incompleta sub presiunea termenelor si lipsind chiar documentatiile tehnice necesare.

Dupa 2008 a urmat o perioada de regres si chiar stagnare, iar multe proiecte au fost abandonate sau conservate. Nevoia din perioada recenta de a finaliza aceste proiecte a facut necesara o reevaluare a proiectelor la cerintele actuale. S-a ajuns, astfel, la situatia in care o fatada din sticla proiectata inainte de 2009 sa nu mai corespunda cerintelor actuale iar in urma unei expertize, sa necesite a fi consolidata. Cauzele care au condus la o asemenea situatie sunt atat o proiectare gresita sau incompleta, conform conditiilor din anul 2008, cat si cresterea valorilor de proiectare ale actiunii vantului din codul de proiectare actual. In cazul Bucurestiului, aceste cresteri ale valorilor de proiectare fata de anii 2004 sunt de aproximativ 40%, insa acestea pot ajunge, pentru alte amplasamente, pana la 100%. Fatadele cladirilor din aceste amplasamente vor trebui, deci, reevaluate si consolidate. Reevaluarea structurii fatadelor necesita si reevaluarea aparatelor de rezemare. Cerintele acestora sunt date nu doar de actiunea vantului, ci si de actiunea seismica.

Evaluarea efectelor actiunii seismice

Efectele actiunii seismice asupra elementelor de fatada se evalueaza considerandu-le componente nestructurale, conform capitolului 10 din P100-2014. Se verifica cerintele de rezistenta si cele de deformabilitate ale acestora. De asemenea, trebuie asigurate, la nivelul reazemelor panourilor de sticla si profilurilor metalice, cerintele de deformabilitate impuse de actiunea seismica.

De regula, fatadele vitrate sunt structuri usoare, astfel incat actiunea seismica are un rol secundar in dimensionarea lor, in comparatie cu actiunea vantului. Masuri speciale trebuiesc insa luate la nivelul reazemelor fatadei de la nivelul structurii de rezistenta a cladirii, astfel incat aceste componente nestructurale sa poata prelua deplasarile relative de nivel. Elementele de reazem se proiecteaza la o forta seismica majorata cu 30%, pentru a asigura integritatea lor in timpul cutremurului.

Modelarea elementelor componente ale unei fatade vitrate

Elementele componente ale unei fatade vitrate sunt profilurile din aluminiu, otel sau chiar lemn si panourile din sticla. Pentru peretii-cortina elementele structurale metalice se numesc montanti si rigle. Aceste profiluri sunt standardizate iar parametrii geometrici ai sectiunilor sunt indicati in cataloage ale producatorilor.

Panourile din sticla sunt din sticla securizata sau sticla calita (float). Sticla securizata este folosita in zonele de protectie impotriva riscului de cadere, cum sunt parapetii balcoanelor sau ai scarilor sau fatadele cladirilor amplasate in zone cu seismicitate ridicata. Aceasta are rezistente la spargere superioare celei calite. Panourile vitrate pot fi alcatuite din sticla laminata sau din panouri termoizolante. Sticla laminata este alcatuita dintr-un pachet de doua sau mai multe foi de sticla lipite cu straturi de folii dublu adezive, de grosime redusa, care au rolul de a prelua lunecarile la incovoiere dintre doua foi de sticla. Panourile termoizolante sunt alcatuite din doua straturi de sticla simpla sau de sticla laminata si un strat intermediar de aer sau gaz inert. Panourile termoizolante pot fi si tri-pan, avand doua straturi intermediare de aer, pentru a mari capacitatea de izolare termica.

Cele doua solutii de panouri din sticla, sticla laminata si sticla termoizolanta, se comporta ca un element de placa solicitat la incovoiere pe doua directii, rezemat pe profilurile metalice ale tamplariei. Sticla laminata se modeleaza ca o placa cu grosime echivalenta. Determinarea grosimii echivalente se face folosind relatii de calcul din literatura si codurile de proiectare de specialitate din strainatate, care tin seama de gradul de conlucrare dintre foile de sticla si foliile de laminare. Sticla termoizolanta se modeleaza separat pentru fiecare strat de sticla, tinand seama de rigiditatea relativa la incovoiere a straturilor de sticla. Relatii de calcul ale incarcarii aferente fiecarui strat de sticla se gasesc, de asemenea, in literatura straina de specialitate.

Atat in cazul sticlei laminate cat si al celei termoizolante, aceste relatii de calcul sunt la indemana oricarui inginer proiectant. O modelare mai complexa poate tine seama de proprietatile elastice sau vascoelastice ale foliei de laminare, sau de presiunea aerului sau a gazului din panourile termoizolante, insa acestea exced cerintele uzuale din procesul de proiectare.

Concluzii

Evolutia codurilor de proiectare la actiunea vantului creeaza premisele ca fatada din sticla a unei cladiri construite intre 2004 si 2012 sa nu mai respecte cerintele de rezistenta si deformabilitate. Aceasta impune o reevaluare si eventual, o consolidare a acestor structuri, in functie de amplasamentul lor.

Consolidarea elementelor vitrate ale unei fatade din sticla este, de cele mai multe ori, imposibila, ceea ce impune inlocuirea panourilor de sticla. Aceasta genereaza costuri ridicate. Consolidarea elementelor metalice de tamplarie ale fatadei si ale reazemelor acestora este dificila si consumatoare de timp si manopera, ceea ce creste costurile necesare interventiei. De aceea, ar fi necesare norme de evaluare si de interventie pentru fatadele existente din sticla, care sa tina seama de rezervele de capacitate ale acestor structuri si sa clasifice gradul de necesitate al acestui tip de lucrari.

Bibliografie

[1] STAS 10101-20-90 – Actiuni in constructii. Incarcari date de vant;

[2] NP 082-2004 – Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului;

[3] CR 1-1-4 2012 – Cod de proiectare. Evaluarea actiunii vantului asupra constructiilor. 

(Din AICPS Review nr. 1-2/2017) 

Autori:
sef lucrari dr. ing. Ovidiu BOGDAN,
prof. dr. ing. Dan CRETU – Departamentul de Rezistenta Materialelor, Poduri si Tuneluri – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 139 – august 2017, pag. 36