Proiectarea structurilor pentru cladiri cu acoperisuri verzi

Amenajarea acoperisurilor verzi pe cladiri civile si industriale reprezinta, in zilele noastre, o optiune din ce in ce mai raspandita pentru arhitectii si urbanistii de pe toate continentele, avand in vedere numeroasele avantaje pe care le ofera aceasta solutie constructiva. Pentru a facilita aplicarea unei asemenea solutii in Romania, in UAUIM a fost elaborata reglementarea „Ghid privind proiectarea si executia acoperisurilor verzi la cladiri noi si existente – indicativ GP 120-2013”.

Dintre aspectele specifice legate de proiectarea complexa a cladirilor cu acoperisuri verzi, in acest articol se prezinta si se analizeaza efectele vegetatiei si ale straturilor de cultura, din punct de vedere al satisfacerii cerintei esentiale de rezistenta mecanica si stabilitate, atat pentru situatia de proiectare persistenta, cat si pentru cea de proiectare seismica specifica tarii noastre.

Initierea si elaborarea reglementarii tehnice a pornit de la ideea ca, alaturi de activitatea curenta, didactica si de cercetare, cadrele didactice din Universitatea de Arhitectura si Urbanism „Ion Mincu” (UAUIM) au si obligatia morala de a folosi cunostintele lor pentru a sprijini, in mod concret, progresul profesiunii de constructor si prin aceasta, activitatea profesionala a colegilor arhitecti si ingineri. Elaborarea, comentarea si detalierea reglementarilor tehnice pentru unele procedee si tehnologii moderne de constructie folosite intens, in prezent, in tari avansate, reprezinta materializarea acestei conceptii.

Reglementarea are caracter complex, interdisciplinar, si a devenit necesara pentru proiectarea si executia, in Romania, a unor solutii constructive moderne pentru acoperisurile si fatadele cladirilor civile si industriale. In raport cu solutiile „traditionale”, alcatuirile care fac obiectul acestei reglementari au particularitati semnificative, ce decurg din natura, calitatea si dimensiunile materialelor folosite, din tehnologia de executie si din conditiile de intretinere/exploatare.

Diversitatea aspectelor tehnice si tehnologice abordate a facut necesara constituirea unui colectiv de redactare complex, din care au facut parte specialisti din mai multe ramuri ale constructiilor (arhitecti si ingineri structuristi si de instalatii) dar si din botanica si stiintele solului.

Reglementarea a fost redactata folosind in principal formularea exigentiala, in conformitate cu cerintele esentiale din Legea nr. 10/1995, care a fost in vigoare la data elaborarii lor.

La redactarea textului s-a urmarit in mod deosebit rigurozitatea formularilor teoretice si precizarea / ilustrarea cat mai completa a termenilor tehnici folositi, prin introducerea in text a unui glosar de termeni specifici si a unui numar mare de desene care ilustreaza diferite situatii concrete din proiecte.

Ghidul a fost elaborat de un colectiv din UAUIM, in care au fost antrenati si specialisti din USAMV Bucuresti, cunoscuti pentru competenta lor in domeniile respective (botanica, stiintele solului):

• prof. dr. arh. Ana-Maria Dabija
• prof. dr. ing. Radu Petrovici
• conf. dr. ing. Mihaela Ioana Georgescu
• drd. arh. Dan Mihai
• arh. Eugen Popescu (colaborare la capitolele 2, 3, 4)
• consultant pentru cerinta „Securitate la incendiu”: arh. Nina Munteanu

Definitie si obiectul reglementarii

Acoperis verde: Acoperis pe care este prevazuta in mod deliberat, prin proiect, vegetatie peste stratul ce asigura protectia la intemperii.

Ghidul GP 120-2013 detaliaza conditiile si masurile constructive specifice necesare pentru proiectarea acoperisurilor verzi, la cladiri noi si la cladiri existente.

Scurt istoric

Istoria amenajarii acoperisurilor verzi pe cladiri este legata, in mod traditional, de una dintre cele sapte minuni ale antichitatii, Gradinile suspendate ale Semiramidei din Babilon, construite de regele Nabucodonosor al II-lea in secolul VI i.H.

Conceptul modern de acoperis verde a fost creat in Germania, in jurul anului 1970, si s-a dezvoltat ulterior, pe baza unor activitati sustinute de cercetare si de experimentare, astfel ca la inceputul secolului XXI, in aceasta tara, suprafata acoperisurilor verzi depasea 1 milion de metri patrati. Cercetarile mentionate s-au referit atat la optimizarea alcatuirii substraturilor de cultura si a vegetatiei, cat si la efectele acestor culturi asupra mediului inconjurator. Experienta germana a fost preluata practic de toate tarile unde o asemenea solutie tehnologica este folosita. In prezent, in mai multe tari, proiectarea si executia acoperisurilor verzi sunt reglementate prin documente tehnice mai mult sau mai putin detaliate. Deoarece in UE nu exista reglementari comunitare, pentru elaborarea GP 120-2013 au fost consultate in principal reglementarile citate in bibliografie.

Categorii de vegetatie pentru acoperisuri verzi

Prevederile pentru proiectarea, executia si intretinerea acoperisurilor verzi, cu forme plate si in panta, sunt detaliate in Ghid pentru trei categorii de vegetatie (conform definitiilor date de International Green Roofs Association):

• Acoperis verde extensiv: tip de acoperis verde pentru care nu sunt necesare masuri speciale privind cresterea si dezvoltarea plantelor. Aceste plante, adaptate unor conditii extreme de mediu, sunt ierburi, muschi, plante suculente, unele tipuri de plante cu bulbi sau tuberculi (fig. 2a).
• Acoperis verde semi-extensiv: tip de acoperis verde in care plantele (ierburi, tufe, plante perene) necesita luarea unor masuri reduse pentru intretinere (udare, ingrasaminte). Aceste plante necesita o grosime mai mare de pamant decat in cazul invelitorilor extensive (fig. 2b).
• Acoperis verde intensiv (terasa gradina): tip de acoperis verde, plat, in care plantele (ierburi, tufe, arbusti, copaci, anuale sau perene) sunt plantate urmarind aceleasi conditii (specifice) de plantare ca si pe sol. Conditiile de crestere si dezvoltare sunt particulare, aceste tipuri de plante necesitand ingrijire (udare regulata si fertilizare corespunzatoare). Stratul de pamant in care se planteaza are caracteristici speciale si grosime importanta (fig. 2c).

Avantajele acoperisurilor verzi

Utilizarea acoperisurilor verzi ofera avantaje multiple, atat pentru cladire cat si pentru oras, avantaje ce pot fi sistematizate, in functie de efectele lor concrete, astfel:

• Economice:

– Durata de viata a acoperisului poate creste de 2-3 ori

– Reduce temperatura acoperisului cu circa 50% fata de un acoperis „negru”

• Consumul de energie:

– In timpul verii, pentru cladiri cu 2-3 niveluri, energia necesara se reduce cu 15-25%

• Managementul apelor de ploaie

– Acoperisul verde poate absorbi 40-60% din cantitatea de apa de ploaie, reducand debitele in canalizarea orasului

• Reducerea poluarii si a caldurii in oras

– Reducerea emisiilor de carbon

– Reducerea temperaturii in intregul oras

Fatadele verzi (fig. 10b) au cele mai multe dintre avantajele acoperisurilor verzi si, in plus, alte avantaje specifice:

• In spatele fatadelor verzi temperatura se reduce semnificativ (circa 10 °C)
• Reducerea este mai importantain timpul verii, atunci cand, prin efectul de umbrire, se diminueaza costul energiei pentru climatizare cu circa 20-25%
• Fatadele verzi favorizeaza scaderea reflectiei sunetului

Alcatuirea generala a acoperisurilor verzi

Succesiunea straturilor componente ale acoperisurilor verzi (amplasate deasupra placii peste ultimul nivel) este stabilita conform schitei din figura 3.

Ghidul GP 120-2013 detaliaza materialele si succesiunea straturilor din care sunt alcatuite acoperisurile verzi:

• Elementul suport al sistemului termo-hidro-izolant se executa din aceleasi materiale ca si in cazul acoperisurilor normale: beton armat, lemn, metal.
• Izolatiile termice se executa din placi cu caracteristici diferite de rezistenta/rigiditate:

1. Placi rezistente, de exemplu, placi din sticla spongioasa s.a.;
2. Placi semirezistente (elastice), de exemplu, polistiren expandat sau extrudat, poliuretan rigid, pluta aglomerata, placi de vata minerala cu densitate mai mare de 100 kg/mc s.a.;
3. Placi moi, de exemplu: placi „rigide” din vata minerala (densitate mai mica de 100 kg/mc).

• Hidroizolatiile pot fi bituminoase sau polimerice, sub forma de membrane sau pelicule aplicate in situ.

In mod curent, materialele folosite pentru executarea straturilor suport ale vegetatiei sunt urmatoarele:

Substratul de cultura (B) avand, orientativ, urmatoarele grosimi:

1. 4 cm – 10 cm pentru plante erbacee – in sistem de acoperisuri verzi extensive;
2. 10 cm – 20 cm pentru erbacee, plante perene si subarbusti rezistenti la ger – in sistem de acoperisuri verzi semi-extensive;
3. 20 cm – 50 cm pentru arbusti de talie medie (1-2 m) – in sistem de acoperisuri verzi semi-extensiv;
4. peste 50 cm (80 cm – 130 cm) pentru arbusti cu inaltimea mai mare de 2 m, arbori de talie mica, conifere – in sistem de acoperisuri verzi intensive.

• Stratul de izolare termica (C) se executa din placi cu caracteristici diferite de rezistenta/rigiditate:

1. Placi rezistente, de exemplu, placi din sticla spongioasa s.a.;
2. Placi semirezistente (elastice), de exemplu polistiren expandat sau extrudat, poliuretan rigid, pluta aglomerata, placi de vata minerala cu densitate mai mare de 100 kg/mc s.a.;
3. Placi moi, de exemplu: placi „rigide” din vata minerala (densitate mai mica de 100 kg/mc).

Ghidul GP 120-2013 contine, in Anexa 7, un numar de 50 de desene cu detalii de alcatuire a acoperisurilor verzi pentru diferite situatii concrete intalnite in proiectare (exemplificari sunt date in figurile 4 si 5).

Proiectarea pentru cerinta: REZISTENTA MECANICA SI STABILITATE

Avand in vedere ca straturile de cultura si vegetatia aduc incarcari semnificative pe acoperisul cladirii, decizia de a realiza un acoperis verde trebuie sa fie fundamentata in mod obiectiv, prin evaluarea consumurilor suplimentare de materiale, in raport cu solutia acoperisului „clasic”. In cazul in care acoperisul verde urmeaza a se realiza pe o cladire existenta, decizia se ia pe baza unei expertize tehnice, prin care se determina capacitatea disponibila a structurii.

Conform Ghidului, proiectarea pentru cerinta de rezistenta si stabilitate implica parcurgerea urmatoarelor etape:

• Stabilirea conceptiei de conformare arhitectural-structurala:

– Pentru cladirile cu acoperisuri verzi se aplica regulile de conformare arhitectural-structurala general valabile pentru cladirile din clasa de importanta respectiva si prevederi specifice destinate evitarii efectelor nefavorabile la solicitarea seismica (torsiune generala).

• Identificarea factorilor care intervin la proiectarea structurala a cladirilor cu acoperisuri verzi, pe baza conceptului de stari limita.

– Incarcarile si actiunile de proiectare sunt cele care se folosesc pentru proiectarea cladirilor cu acoperis „clasic”, la care se adauga greutatea straturilor de cultura, a vegetatiei si a tuturor componentelor sistemelor specifice de termo-hidroizolatii. Greutatea straturilor de cultura se determina in stare saturata cu apa din intemperii.

– In cazul acoperisurilor accesibile publicului, se ia in considerare si greutatea pavajelor pentru alei si a mobilierului (banci, obiecte decorative);

– Pentru proiectarea acoperisurilor verzi se aplica prevederile generale referitoare la incarcarile utile pe acoperisuri, date in standardul SR EN 1991-1-1 si in Anexa Nationala la acesta.

• Calculul efectelor structurale ale incarcarilor suplimentare date de acoperisurile verzi (necesare pentru identificarea consumurilor suplimentare de materiale);
• Evaluarea sigurantei structurale a cladirilor cu acoperisuri verzi;
• Proiectarea cladirilor cu acoperisuri verzi pentru durabilitate.

– Avand in vedere faptul ca inlocuirea straturilor de termo-hidroizolatie este o operatie complicata si costisitoare, toate materialele folosite vor avea durata de viata garantata pentru intreaga durata de viata stabilita pentru cladirea respectiva.

Efectele incarcarii verticale suplimentare

Incarcarea verticala suplimentara a acoperisului data de greutatea substraturilor de cultura si a vegetatiei plantate are caracter permanent si se manifesta prin urmatoarele categorii de efecte structurale:

Eforturi sectionale si deformatii suplimentare directe:

a₁. La planseul ultimului nivel, asupra elementelor structurale direct incarcate.

a₂. In ansamblul structurii, al infrastructurii si al terenului de fundare.

Eforturi sectionale si deformatii suplimentare indirecte:

b₁. In ansamblul structurii, al componentelor nestructurale si al infrastructurii rezultate din cresterea fortei seismice de calcul, odata cu sporirea masei totale a cladirii.

Efectele incarcarilor din acoperisul verde asupra planseului peste ultimul nivel 

Incarcarile verticale suplimentare date de substraturile de cultura si de vegetatie au ca efect sporirea momentelor incovoietoare, a fortei taietoare si a deformatiilor elementelor structurale direct incarcate in raport cu valorile corespunzatoare acoperisului normal.

Evaluarea efectelor incarcarilor suplimentare se poate face simplificat, prin compararea valorilor de proiectare ale incarcarilor verticale totale (permanente si utile), pentru cele doua tipuri de acoperis.

Sporul incarcarii de proiectare pe acoperis se determina cu relatia:

unde s-a notat:

• g_n valoarea caracteristica a incarcarii permanente (in kN/m2);
• q_k valoarea caracteristica a incarcarii utile (in kN/m2);
• g_av greutatea unitara a straturilor acoperisului verde si a vegetatiei (in kN/m2).

Diagrame pentru proiectare (exemplu)

Pentru a facilita evaluarea sporului de incarcare pe acoperis (r_an) in functie de tipul vegetatiei, fara calcule detaliate, in Ghid sunt date mai multe diagrame care pot fi folosite cu suficienta precizie in acest scop.

Din examinarea acestor grafice rezulta urmatoarele concluzii care sunt utile pentru adoptarea deciziei de executare a acoperisurilor verzi:

1. Diferentele de incarcare totala de proiectare intre acoperisurile cu vegetatie extensiva si cele cu vegetatie semi-intensiva sunt importante numai pentru acoperisurile necirculabile usoare (cu g_n ≤ 2,5 kN/m2); in celelalte cazuri, valorile sporurilor de incarcare sunt, practic, similare (de ordinul a 20÷30% fata de acoperisurile cu alcatuire normala).
2. Ponderea sporului de incarcare adus de vegetatia de tip intensiv este deosebit de mare pentru acoperisurile usoare (orientativ, cu incarcarea de proiectare g_n ≤ 2,5 kN/m2), indiferent de valoarea de proiectare a incarcarii utile. Valorile cele mai mari se inregistreaza in cazul acoperisurilor necirculabile. Ca atare, sporurile de cost vor fi, de asemenea, importante, in special in cazul cladirilor cu numar mic de niveluri. Pe astfel de acoperisuri se recomanda adoptarea vegetatiei extensive sau semi-intensive.
3. Pentru acoperisurile grele (acoperisurile din beton armat ale cladirilor, cu incarcarea de proiectare g_n ≥ 10 kN/m2), sporurile de solicitare sunt modice (~+20 ÷ 30%) si, in cazul cladirilor cu mai multe niveluri, sporul costului total, raportat la toate planseele, scade odata cu numarul de niveluri al cladirii.

Un alt grup de grafice (fig. 7) analizeaza efectul tipului de vegetatie asupra acoperisurilor proiectate cu diferite valori ale incarcarii utile (q_k).

• Diferentele de incarcare totala de proiectare intre acoperisurile cu vegetatie extensiva si cele cu vegetatie semi-intensiva sunt importante numai pentru acoperisurile necirculabile usoare (cu g_n ≤ 2,5 kN/m2); in celelalte cazuri valorile sporurilor de incarcare sunt practic similare (de ordinul a 20÷30% fata de acoperisurile cu alcatuire normala).
• Ponderea sporului de incarcare adus de vegetatia de tip intensiv este deosebit de mare pentru acoperisurile usoare, indiferent de valoarea de proiectare a incarcarii utile. Valorile cele mai mari se inregistreaza in cazul acoperisurilor necirculabile. Pe astfel de acoperisuri se recomanda adoptarea vegetatiei extensive sau semi-intensive.
• Pentru acoperisurile grele (acoperisurile din beton armat ale cladirilor cu incarcarea de proiectare g_n ≥ 10 kN/m2) sporurile de solicitare sunt modice (~+20 ÷ 30%) si, in cazul cladirilor cu mai multe niveluri, sporul costului total raportat la toate planseele, scade odata cu numarul de niveluri al cladirii.

Efectul incarcarilor gravitationale date de acoperisul verde (g_an) asupra elementelor structurale verticale si fundatiilor cladirii

Efectul incarcarilor suplimentare asupra elementelor structurale verticale situate la un nivel oarecare al cladirii depinde de:

1. tipul vegetatiei;
2. greutatea totala echivalenta a cladirii fara greutatea acoperisului verde g_av (ng_n in kN/m2);
3. numarul de plansee peste nivelul considerat (n).

Acest efect poate fi cuantificat prin raportul intre incarcarea verticala totala la un nivel oarecare a cladirii cu acoperis verde si incarcarea verticala totala a cladirii cu acoperis normal (ρ_N,an), la acelasi nivel.

La nivelul n, sub acoperisul verde, acest raport are valoarea:

Variatia raportului ρ_N,an pentru n = 1÷6 este data in figura 8 pentru greutatile extreme ale acoperisului verde.

Din examinarea figurii 8 se retin urmatoarele concluzii:

• In cazul vegetatiei extensive, sporul solicitarilor axiale este semnificativ numai pentru elementele verticale ale ultimului nivel (cu valori intre 15÷25%); pentru nivelurile inferioare si pentru fundatii, sporul de sarcina verticala adus de acoperisul verde poate fi, in general, neglijat.
• In cazul vegetatiei intensive cu greutatea maxima considerata, sporul solicitarilor axiale este major pentru elementele verticale si fundatiile cladirilor cu n = 3÷4 niveluri; pentru cladirile mai inalte acest spor se refera la un numar de 3÷4 niveluri sub acoperis si, de regula, poate fi neglijat pentru fundatii (in special in cazul cladirilor foarte grele, cu g_n ≥ 1,3÷1,4 kN/m2).
• In cazul vegetatiei semi-intensive, concluziile sunt similare celor identificate in cazul incarcarilor aplicate direct pe planseu.

Efectul incarcarilor din acoperisul verde asupra fortelor seismice

Greutatea permanenta suplimentara adusa de acoperisul verde sporeste masa totala a cladirii in comparatie cu cea care rezulta in cazul unui acoperis cu alcatuire traditionala, ceea ce antreneaza un spor, mai mult sau mai putin important, al fortei seismice laterale de proiectare.

In cazul cladirilor cu 1÷2 niveluri supraterane, este posibil, in unele cazuri, ca sporul de incarcare sa atraga cresterea perioadei proprii a cladirii si deci, modificarea valorii spectrului de proiectare (scaderea acestuia daca astfel se depaseste valoarea perioadei de colt a spectrului T_c).

Cresterea masei ultimului nivel si a masei totale modifica distributia pe verticala a fortelor seismice static echivalente si deci si valorile fortelor taietoare la etajele superioare, mai ales in cazul cladirilor cu putine niveluri.

In cazul cladirilor cu acoperis verde, masa ultimului nivel este:

unde g_an se ia in functie de tipul de vegetatie.

Masa totala a cladirii cu acoperis verde este:

Forta taietoare de baza devine in acest caz:

Efectul sporirii masei constructiei, asupra fortei taietoare de baza se evidentiaza cu relatia:

Graficul din figura 9 prezinta variatia sporului fortei taietoare de baza, pentru cladiri cu n_niv = 1÷4, in cazul vegetatiei intensive si a celei extensive.

Se constata ca pentru vegetatia extensiva, la cladirile cu n_niv ≥ 2, sporul fortei taietoare de baza nu mai depinde, practic, de numarul de niveluri al cladirii, in timp ce, pentru vegetatia intensiva, diferentele raman peste 15% pentru fiecare nivel in plus.

Exemplu de calcul

La un acoperis metalic s-a examinat variatia consumului de otel pentru pane simplu rezemate, cu lungimea L = 6,0 m, in urmatoarele conditii:

• Greutatea proprie a acoperisului g_n = 1,0 kN/m2;
• Incarcarea de exploatare q_k = 0,75 kN/m2 (acoperis necirculabil);
• Incarcarea din substraturi si vegetatie:

– vegetatie extensiva: g_an = 1,50 kN/m2;

– vegetatie semi-intensiva: g_an = 2,50 kN/m2.

Incarcarea totala pentru situatia de proiectare permanenta este:

• p_a = 1,35 × 1,0 + 1,50 × 0,75 ≈ 2,50 KN/m2 (acoperis normal);
• p_b = 1,35 ×(1,0 + 1,50) + 1,50 × 0,75 = 4,50 kN/m2 (acoperis cu vegetatie extensiva);
• p_c = 1,35 × (1,0 + 2,5) + 1,50 × 0,75 = 5,85 kN/m2 (acoperis cu vegetatie semi-intensiva).

Materiale

• OL52 cu R = 300 N/mm2 = 3.000 daN/cm2

Conditia de rigiditate limita, exprimata in functie de lungimea de calcul a panei:

• f_calc ≤ 0,005 L = 3,0 cm

S-a considerat ca panele sunt dispuse la d = 1,5 m.

Au rezultat valorile consumului de otel conform tabelului 1.

Prevederi specifice pentru cladiri si acoperisuri in panta

Utilizarea acoperisurilor verzi este posibila indiferent de geometria/volumetria cladirii. Evident, in fiecare caz particular sunt necesare masuri specifice, dar principiile generale, enuntate mai sus, raman valabile iar aplicarea lor nu poate fi negociata. Masurile speciale propuse au rezultat, in primul rand, din practica proiectarii/executarii si tin seama de constrangerile provenite din geometria constructiei.

Dintre masurile constructive recomandate pentru vegetatia pe suprafetele inclinate ale cladirilor mentionam, in continuare, urmatoarele:

• Pentru acoperisul cu panta mai mare de 100 (~18%) trebuie luate masuri de stabilizare a straturilor componente. Pericolul de eroziune a substratului creste odata cu cresterea pantei si, prin urmare, trebuie asigurata protectia acestuia.
• Pentru acoperisurile verzi in panta va fi prevazuta o hidroizolatie performanta bituminoasa sau polimerica (termoplastice sau elastice). Primul strat hidroizolant trebuie sa fie fixat mecanic, cu prinderi dispuse la pas de 5 – 10 cm.
• Pentru hidroizolatiile montate pe suport din lemn este necesara prevederea unui strat de separare executat din tesatura de fibra de sticla sau impaslitura din fibre poliesterice intre suportul din lemn (astereala) si hidroizolatie.
• Se recomanda ca bariera de sine statatoare contra radacinilor sa fie prevazuta numai daca panta invelitorii este sub 100 (~18%).

Bibliografie

[1] USA: ASTM E2400 – 06 Standard Guide for Selection, Installation and Maintenance of Plants for Green Roof Systems;

[2] UK: 2008 Guidelines for the Planning, Construction and Maintenance of Green Roofing;

[3] Germania: FFL Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftbau’s (German Landscape Research, Development and Construction Society);

[4] Canada: Toronto Municipal Code. Chapter 492, Green roofs.

Autor:
prof. univ. dr. ing. Radu PETROVICI 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 145 – martie 2018, pag. 56