Evaluarea solutiei tehnice si a sigurantei in exploatare a structurii acoperisului intermediar al Pietei Badea Cartan din Timisoara

Lucrarea prezinta rezultatele investigatiilor efectuate asupra structurii de rezistenta a acoperisului intermediar al Pietei Badea Cartan din Timisoara in urma cedarii unor elemente in timpul lucrarilor de montaj. Structura, avand o deschidere de 20,25 m, este realizata din grinzi macaz din lemn lamelat incleiat si tiranti metalici. Cedarea s-a produs in timpul montajului si a afectat doua dintre grinzile deja montate. Investigatiile au avut ca scop determinarea cauzelor care au stat la baza producerii accidentului si propunerea unor solutii de interventie. 

Structura investigata are destinatia de acoperis intermediar si a fost realizata in interiorul structurii metalice existente a pietei Badea Cartan din Timisoara, fara insa sa interactioneze cu aceasta. Structura metalica existenta a fost realizata in anul 1996, arhitecti loan Andreescu, Vlad Gaivoronschi si Adrian lonasiu, iar proiectant prof. Victor Gioncu (fig. 1). Lucrarea a primit in anul 1997 premiul Conventiei Europene de Constructii Metalice (ECCS).

Structura noului acoperis intermediar este realizata din grinzi de lemn lamelat incleiat, montanti din teava si tiranti din otel rotund (grinda macaz) (fig. 2). Grinzile au deschiderea de 20,25 m si sunt realizate din cinci tronsoane (T1 -f- T5) cu lungimea de 4,05 m. Sectiunea grinzilor este compusa din doi dulapi de lemn de grosime 5 cm si inaltime variabila, dupa cum urmeaza:

• Tronson T1, T5: inaltimea variaza de la 25 cm la capatul exterior la 29 cm la capatul interior;
• Tronson T2, T4: inaltimea variaza de la 29 cm la capatul exterior la 33,5cm la capatul interior;
• Tronson T3: inaltimea variaza de la 33,5 cm la capete si 35,5 cm la mijloc.

Tronsoanele sunt prinse intre ele cu suruburi M12 gr. 8,8 si dulapi de lemn 5 cm x 20 cm cu lungimea de 1,0 m la prinderea dintre T1-T2 si 1,20 m la prinderea dintre T2-T3 si T3-T4. Intermediar, cei doi dulapi de lemn care alcatuiesc grinda sunt solidarizati cu piese de lemn de 5 cm x 20 cm si lungimea 30 cm, care servesc si la prinderea panelor de la partea superioara.

Tirantii sunt realizati din otel rotund cu diametrul de 20 mm. Montantii sunt realizati din teava patrata 50 mm x 50 mm si lungimea de 810 mm. Montantii au dispuse la partea superioara doua gusee din tabla de otel de 10 mm (fig. 3a). Prinderea dintre tronsoanele de grinda se face partial prin intermediul guseelor (primul rand de suruburi interior) (fig. 3b).

Inspectia elementelor a scos la iveala numeroase defecte in elementele de imbinare, cum ar fi gauri suprapuse partial sau realizate la distante foarte mici (fig. 4a).

De asemenea, s-a putut observa ca ruperea grinzii de lemn s-a facut prin adezivul dintre lamele, indicand o rezistenta mai redusa decat a materialului de baza (fig. 4b).

Caracteristicile mecanice ale materialelor din structura au fost determinate experimental in cadrul URBAN INCERC Timisoara (2017), obtinandu-se urmatoarele rezultate:

• Densitatea, p: 751,37 kg/m3 (valoare medie);
• Modulul de elasticitate paralel cufibrele, E_mg: 16,0 kN/mm2 (valoare minima);
• Rezistenta la compresiune paralelcu fibrele, f_c,o = 63,02 N/mm2 (valoare medie);
• Rezistenta la incovoiere paralel cufibrele,f_m,o,j,k = 53,60 N/mm2 (valoare minima);
• Forta maxima la care cedeaza piulita in prima spira a tijei filetate (tirant): F_max = 13,38 kN (valoarea minima din cele 3 teste realizate).

Accidentul a constat in cedarea a doua grinzi transversale din totalul de 5 montate la acel moment (Dubina, 2018a).

Prima grinda cedata a fost cea din axul 4, care a antrenat apoi si cedarea grinzii din axul 5.

Grinzile din primele 3 axe transversale nu au fost afectate.

Cedarea grinzii din axul 4 s-a produs ca urmare a cedarii imbinarii dintre tronsoanele T1 si T2 concomitent cu desfacerea piulitei tirantului metalic de la acelasi capat.

Caderea a antrenat si grinda din axul 5, insa aceasta nu a suferit rupturi in sectiunea grinzii sau in imbinarile de continuitate.

Programul experimental

Pentru a se evalua capacitatea portanta a grinzii in ansamblu, au fost realizate si testate doua configuratii diferite, cate 2 specimene pentru fiecare configuratie.

Cele patru specimene au fost realizate dintr-o singura grinda (luata de pe santier) si au in componenta doua tronsoane de grinda plus imbinarea de continuitate cu suruburi.

Lungimea totala a specimenelor este de 4,05 m, tronsonul mai lung avand 2,85 m iar cel scurt 1,2 m (fig. 6).

In cazul specimenelor S1 si S2, forta s-a aplicat in dreptul montantului, iar pentru S3 si S4 incarcarea s-a aplicat excentric (excentricitatea e = 0,35 m) (fig. 7).

Procedura diferita de incarcare a urmarit o posibila influenta a raportului dintre momentul incovoietor si forta taietoare din imbinare, avand in vedere ca cedarea elementelor de lemn s-a produs prin despicare.

Aplicarea incarcarii s-a facut in regim cvasi-static in control de deplasare pana la cedarea completa a specimenelor.

Testele au fost realizate in cadrul laboratorului Departamentului CMMC din cadrul Facultatii de Constructii, Universitatea Politehnica Timisoara (Dubina, 2018).

Figura 8 prezinta comparativ curbele forta-deplasare obtinute experimental.

In cazul specimenului S1, s-a produs o cedare partiala la o valoare a fortei aplicate F = 24,4 kN, dupa care capacitatea a crescut, cedarea producandu-se prin despicarea elementului de legatura din lemn la o forta de 30,5 kN (fig. 9a).

Momentul maxim aferent incarcarii maxime a fost 25,1 kNm. In cazul specimenului S2, forta maxima a fost 29,7 kN, iar momentul aferent 24,4 kNm (fig. 9b).

Cedarea s-a produs tot prin despicarea elementului de legatura din lemn.

In cazul specimenului S3, cedarea s-a produs prin despicarea grinzii din deschiderea mai mare la o valoare a fortei aplicate F = 31,6 kN, momentul aferent fiind 33,8 kNm (fig. 10a).

Deoarece ruperea s-a produs in grinda si nu in elementul de imbinare (situat la interior), a putut fi urmarita initierea si apoi propagarea fisurii pana la cedare (fig. 11).

In cazul specimenului S4, forta maxima a fost 32,9 kN, iar momentul aferent 35,2 kNm (fig. 9b).

Cedarea s-a produs in urma despicarii elementului de legatura din lemn.

Compararea rezultatelor experimentale obtinute pentru cele 4 specimene (Tabelul 1) arata ca forta maxima aplicata este foarte apropiata, diferente mai mari fiind consemnate doar in ceea ce priveste momentul maxim la cedare pentru specimenele S3 si S4.

Pe baza rezultatelor obtinute, a fost calibrat un model numeric pentru grinda in ansamblu. Acesta a fost utilizat pentru a determina capacitatea ultima a grinzii si pentru a reproduce mecanismul de cedare.

Analiza numerica

Analiza s-a facut folosind programul SAP2000 (2018), modelul fiind calibrat pe baza testelor experimentale prezentate in sectiunea anterioara. Proprietatile geometrice si incarcarile folosite au fost adaptate la situatia reala din santier. Grinda a fost incarcata doar cu incarcarile din greutate proprie, majorate cu 10% pentru a lua in considerare eventualele incarcari suplimentare de pe grinda in momentul cedarii (fig. 12).

Figura 13 prezinta diagramele de forta axiala, moment incovoietor si forta taietoare pe structura sub efectul greutatii proprii majorate cu 10%. Valorile momentului incovoietor arata ca nu este depasita capacitatea portanta a imbinarilor de continuitate. Se poate observa insa ca valoarea fortei axiale in tirant, in zona de ancorare de la capat, are o valoare mai mare decat valoarea minima inregistrata in testele realizate la Urban Incerc Timisoara (F_max = 13,38 kN, valoarea minima din cele 3 teste realizate). Acest lucru arata faptul ca tirantul putea iesi partial din lucru chiar si sub greutatea proprie a grinzii.

In pasul urmator, a fost simulata scoaterea din lucru a tirantului folosind o analiza dinamica. Momentul capabil in imbinarile de continuitate a fost considerat pe baza valorii minime obtinute experimental (M_exp,min = 24,4 kNm), redusa insa cu 10% pentru a lua in considerare eventualele defecte locale in elementele din lemn (M_exp,r = 22,18 kNm).

Figura 14a prezinta forma deformata a grinzii inainte de cedarea tirantului, iar figura 14b prezinta forma deformata imediat dupa cedarea tirantului, cu marcarea imbinarilor in care este atins momentul capabil (sectiunile sunt marcate cu rosu).

Concluzii

Studiul prezentat in lucrare a avut ca obiectiv principal determinarea cauzelor care au dus la cedarea accidentala a grinzilor structurii de rezistenta a acoperisului intermediar al Pietei Badea Cartan din Timisoara. Avand in vedere alcatuirea complexa a structurii si a imbinarilor de continuitate dar si nivelul de defecte din acestea, s-au executat si testat 4 specimene. Acestea au fost extrase dintr-o grinda aflata la santier si inca nemontata la data producerii accidentului.

Coroborarea rezultatelor experimentale cu cele obtinute in urma analizelor numerice (pe modele calibrate experimental) au aratat ca grinda isi putea sustine greutatea proprie (chiar majorata cu 10%) in conditii de siguranta. Daca insa tirantul iese din lucru, schimbarea schemei statice cumulata cu efectele dinamice aferente cedarii tirantului conduc la depasirea rezistentei imbinarilor de continuitate si implicit la cedarea grinzii.

Avand in vedere nivelul ridicat de defecte din grinzile de lemn, in special in zona de imbinare a tronsoanelor de grinda, dar si in prinderea pe reazem a tirantilor, grinzile deja realizate dar inca nemontate nu pot fi utilizate fara remedierea defectelor sau inlocuirea lor cu altele noi, realizate din materiale cu proprietati de rezistenta adecvate si prelucrate corespunzator.

Bibliografie

• Dubina, D., Evaluarea solutiei tehnice si a sigurantei structurii din lemn care sustine acoperisul intermediar al halei Pietei Badea Cartan din Timisoara si propunerea unei solutii de consolidare a acesteia. Raport tehnic, 2018;
• Dubina, D., Incercari experimentale pe imbinari la grinzile din lemn de la acoperisul intermediar al Pietei Badea Cartan, Timisoara, Laboratorul de analize si incercari in constructii. Departamentul CMMC, Universitatea Politehnica Timisoara, Raport tehnic, contract nr. BC7, 01.02.2018, 2018;
• EN 1995-1-1, Eurocode 5: Design of timber structures – Part 1-1: General – Common rules and rules for buildings, 2004;
• SAP200 v21, Integrated Software for Structural Analysis and Design, Computers and Structures, Inc., Walnut Creek, CA 94596, USA;
• URBAN INCERC Timisoara, Raport de incercare 155/22.11.2017, 2017.

(Din AICPS Review nr. 1-2/2019) 

Autori:
Dan DUBINA,
Florea DINU – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul CMMC, Academia Romana, Filiala Timisoara, Centrul de Cercetari Tehnice, Fundamentale si Avansate CCTFA
Calin NEAGU – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul CMMC 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 163 – octombrie 2019, pag. 24