Cladire industriala cu structura metalica dispusa in consola pe un versant stancos

Subiectul prezentei lucrari il constituie o cladire industriala, parte a unei crame situate in zona colinara stancoasa a judetului Arad.

Caracteristica speciala a  amplasamentului (panta abrupta a colinei stancoase) a generat considerabile probleme echipei de proiectare, atat pe partea de arhitectura cat si pe partea de structura, conducand la o solutie finala cu cladiri pe doua nivele.

Astfel, cladirea dispusa la partea de jos a ansamblului, la baza colinei, are functiunea de depozitare in timp ce cladirea dispusa la partea superioara, la o inaltime de 14,0 m, avand functiunea de hala de productie si showroom, se extinde (in mod neconventional) peste cladirea de jos, cu rezemare partiala la o extremitate pe versantul stancos iar la extremitatea opusa pe un turn rectangular din beton armat dispus langa versant.

Zona de showroom se extinde in consola cu deschiderea de 10,0 m dincolo de reazemul pe turn creand o impresie de „plutire”. Autorii lucrarii, fiind implicati in procesul de proiectare in calitate de proiectanti pe partea de rezistenta, prezinta problemele intampinate in acest proces si respectiv solutiile ingineresti adoptate pentru cladirea desfasurata la inaltime.

Descrierea amplasamentului

O scurta descriere a conditiilor de teren din amplasament este foarte relevanta, inclusiv pentru a justifica deciziile tehnice adoptate de proiectanti. In figura 1 se prezinta o imagine cu versantul abrupt al colinei stancoase, avand inaltimea de 14,0 m.

In urma efectuarii unui studiu geotehnic pe adancimea de 8,0 m in terenul stancos, au fost depistate straturi succesive de sol vegetal, apoi roci vulcanice alterate si in fine roca vulcanica compacta. La adancimea de 2,50…2,80 m (recomandata pentru cota de fundare a noii constructii) s-au identificat roci vulcanice semi-compacte cu presiunea conventionala de 500 kPa. In cadrul acestui studiu s-a apreciat ca riscul de aparitie a apei subterane sau respectiv de fisurare a rocii la nivelul cotei de fundare este scazut. Totusi, deoarece persista un anumit risc de alunecare a terenului la nivelul versantului stancos sub presiunea aplicata prin fundatia cladirii dispusa la cota superioara (iar concluziile studiului geotehnic au fost elaborate folosind doar doua foraje) s-au recomandat masuri de prudenta cu ocazia realizarii sapaturilor pentru infrastructura. Acestea urmau sa includa o observare atenta a aspectului terenului, cu depistarea posibilelor fisuri periculoase ale rocii ce ar putea conduce la cedarea versantului printr-o lunecare globala.

Conceptia arhitecturala

In plus fata de caracteristicile investitiei si respectiv ale amplasamentului descrise mai sus, arhitectul a trebuit sa raspunda unor cerinte complexe, provenind partial si din fluxul tehnologic, respectiv din cerintele clientului legate de partea estetica si cea de brand comercial [1]. Schema fluxului tehnologic este prezentata in figura 2 pentru ambele cladiri industriale.

In cadrul acestui flux tehnologic, cladirea de la baza versantului are functiunea de depozit de vinuri in timp ce cladirea analizata, amplasata in pozitie superioara, are functiunea de procesare industriala si respectiv de show-room pentru vinuri.

In ceea ce priveste cerintele estetice si de brand comercial, investitorul italian a cerut o arhitectura adaptata tipului de comert practicat de compania sa, agent comercial actionand pe piata vinurilor. Constructiile nou realizate, desi urmau sa adaposteasca tehnologii moderne, urmau sa fie „ascunse” sub finisaje adaptate locatiei respective, terenului stancos, vegetatiei si traditiei locale. Astfel, cladirea superioara (cu lungimea de 45,0 m, latimea de 20,0 m si inaltimea de 6,30 m) avand structura principala de rezistenta din otel si inchideri din panouri sandwich, s-a solicitat sa fie complet imbracata pe exterior in iedera, adaptand-o astfel la vegetatia zonei. Un asemenea finisaj vegetal, mergand pe ideea „vechi castel invadat de iedera” este oarecum neobisnuit pentru o cladire industrial-comerciala moderna, generand probleme suplimentare atat pentru arhitect in faza de detaliere a proiectului cat si pentru inginerul structurist.

In figurile 3 si 4 se prezinta imagini ce descriu macheta proiectata a complexului de cladiri impreuna cu adaptarea acesteia in raport cu locatia geografica.

Adaptarea cladirii dispuse in pozitie superioara la conditiile existente in amplasament a condus la o arhitectura neconventionala, cu rezemarea unui capat al acestei cladiri pe versantul stancos pe o lungime de 15,0 m (lungimea totala a cladirii fiind de 45,0 m) in timp ce restul cladirii este sustinut de o pila realizata in forma unui turn rectangular din beton armat. Astfel se ajunge ca extremitatea cladirii opusa versantului sa devina practic o consola cu deschiderea de 10,0 m [3]. Peretele vitrat dispus la extremitatea acestei console ofera o perspectiva excelenta asupra orasului Pancota, situat in vecinatate. Este si motivul pentru care arhitectul a dispus show-room-ul pentru vinuri si un mic restaurant la acest capat al cladirii. Cu toata ingeniozitatea conceptiei arhitecturale descrise, cerinta de proiectare rezultata (implicand realizarea unei mari console cu deschiderea de 10,0 m la una dintre extremitatile cladirii) pune o presiune considerabila asupra inginerului structurist in vederea gasirii unei solutii adecvate.

Solutie structurala adoptata

Pentru a satisface cerinta arhitecturala prezentata, proiectantul de rezistenta a proiectat o structura metalica spatiala, conceputa pe principiul unui pod. Aceasta este prezentata schematic in plan si vedere laterala in figura 5.

Pe directia longitudinala a cladirii au fost prevazute (dupa axele A, C si E) trei grinzi cu zabrele principale, realizate din profile laminate europene, similare grinzilor laterale ale unui pod. Aceste grinzi sunt dispuse pe directia in care zona de capat a cladirii lucreaza la incovoiere ca o mare consola. Fiecare grinda cu zabrele are prevazute reazeme in dreptul axelor transversale 3, 4 si 7 (fig. 5). Atat la talpa inferioara cat si la talpa superioara a grinzilor cu zabrele au fost dispuse, dupa directia transversala a cladirii, grinzi din otel ajurate cu goluri rotunde in inima lucrand oarecum similar antretoazelor unui pod (fig. 6).

Asupra structurii rezultate in acest mod actioneaza urmatoarele incarcari: greutatea proprie a structurii metalice, greutatea planseului din beton armat (4,5 kN/m2), greutatea invelitorii (1,4 kN/m2), greutatea peretilor despartitori din zidarie prevazuti in proiectul de arhitectura, greutatea peretilor de inchidere perimetrala (inclusiv iedera atasata pe acestia), sarcina utila din zona de show-room si restaurant (4,0 kN/m2) respectiv sarcina utila din zona tehnologica a halei (4,0 kN/m2). Au fost aplicate si incarcarile climatice, respectiv incarcarea cu zapada (1,5 kN/m2 conform hartii de zonare din normativ) si incarcarea cu vant (0,5 kN/m2 conform hartii de zonare din normativ). Introducerea incarcarii seismice s-a facut prin spectrul acceleratiilor determinat conform normativului seismic romanesc [4], utilizand urmatoarele caracteristici: acceleratia terenului a_g = 0,12g; perioada de colt T_c = 0,7 sec; β₀ = 2,75. Spectrul elastic normalizat β(T) a fost introdus in analiza structurala utilizand functiile definite in cadrul normativului P100 [4]. Coeficientii partiali de siguranta corespunzatori fiecarui tip de incarcare, combinatiile de incarcari si coeficientii aferenti acestora au fost adoptati in conformitate cu normativul romanesc de profil armonizat cu pachetul de norme Eurocode [5].

Mergand pe ideea de „pod” utilizata in cadrul modelului structural, s-a dispus la nivelul talpii inferioare a grinzilor cu zabrele, pe o lungime de 30,0 m (inclusiv consola de capat) in zona „suspendata” a cladirii, un planseu compozit din otel+beton. Acest planseu s-a realizat cu gujoane tip Nelson avand diametrul de 20 mm sudate pe grinzile ajurate de sustinere, respectiv cu o placa din beton clasa C25/30, avand grosimea neta de 12 cm, pe tabla cutata cofraj pierdut cu inaltimea cutei de 60 mm si grosime de 1,0 mm. Prin efectul de diafragma creat la nivelul acestui planseu s-a obtinut o buna legatura intre elementele structurale, contribuind astfel la realizarea efectului de raspuns 3D urmarit.

La nivelul terasei cladirii s-a prevazut un acoperis usor realizat din tabla cutata de otel cu cute inalte de 153 mm / 1,5 mm grosime, plus o termoizolatie din vata minerala rigida cu grosimea de 150 mm, respectiv o hidroizolatie cu membrana PVC plus un strat de protectie din pietris monogranular cu grosimea de 5,0 cm.

Pentru inchiderea perimetrala a cladirii au fost utilizate panouri sandwich cu grosimea de 100 mm (avand rol de asigurare al hidroizolatiei si termoizolatiei laterale). Pe exteriorul acestor panouri se dispun sisteme de sustinere pentru invelisul vegetal prevazut (iedera). Aceste sisteme constau in plase sudate galvanizate din otel (dimensiuni 100 mm x 100 mm x 5 mm) prinse prin sisteme de conectare tip consola la fata exterioara a panourilor de inchidere. Relatia dintre greutatea proprie a stratului vegetal (cu valoare dificil de controlat, data fiind cresterea specifica a acestuia) si elementele structurale ale suportului, respectiv efectul posibil coroziv al vegetatiei asupra elementelor din otel ramane de urmarit in timp. Aceste aspecte sunt de fapt consecinte ale solutiei neconventionale aplicate in cadrul proiectului de arhitectura.

In figura 6 este prezentata o imagine 3D a structurii metalice principale, asa cum rezulta ea din programul de proiectare TEKLA. Se vad aici cele trei grinzi cu zabrele longitudinale, care au permis controlul deformatiilor verticale la extremitatea in consola a cladirii. Din observarea acestei structuri se desprind o serie de detalii sensibile, interesant de discutat, referitoare la unele aspecte ale analizei structurale si solutiile ingineresti adoptate pentru acestea.

Discutie privind unele aspecte sensibile ale proiectului de rezistenta

Pe parcursul procesului de proiectare structurala au aparut o serie de probleme cu caracter sensibil care au fost solutionate de echipa de structuristi. O prima problema se lega de controlul deformatiilor verticale la varful portiunii in consola a cladirii. Tinand cont de dispunerea cladirii analizate deasupra cladirii de depozitare, cerinta de control al deformatiilor portiunii in consola (pe lungimea de 10,0 m) a cladirii respective a fost deosebit de severa. Criteriul SLS de limitare a deformatiei utilizat in analiza a fost δ_all = 10,0 m / 350 = 0,029 m = 29,0 mm. Dupa mai multe incercari si corectii (inclusiv unele modificari de natura structurala operate in cursul analizei) deformatia verticala in punctul C1 de la extremitatea cladirii din combinatiile fara seism a rezultat δ_act= 29,0 mm = δ_all satisfacand cerinta SLS mentionata.

Un alt aspect sensibil privind analiza structurala a cladirii se leaga de actiunea seismica asupra partilor de constructie aflate in consola (si in special asupra consolelor lungi). Actiunea seismica reala se exercita asupra constructiilor dupa directii aleatoare in spatiu, motiv pentru care, conform normativului P100 [4], este obligatoriu sa se introduca in analiza structurala, pe langa componentele actiunii in plan orizontal, si componenta verticala. La verificarea deformatiilor rezultate din combinatiile cu seismul a rezultat o sageata maxima de 32,0 mm in punctul C1 de la extremitatea portiunii in consola a cladirii, depasind usor valoarea permisa de 29,0 mm. Totusi, luand in considerare si rolul de rigidizare al planseului compozit din beton lucrand impreuna cu grinzile metalice ajurate [7, 8], proiectantul a acceptat aceasta depasire minora.

O imagine cu structura metalica de rezistenta aflata intr-o faza intermediara de montaj (inclusiv reteaua de grinzi ajurate ce sustine planseul din beton) este prezentata in figura 7.

Un alt aspect sensibil intalnit se refera la comportarea structurii sub actiunea variatiilor de temperatura. Tinand cont de faptul ca o parte a structurii metalice ramane expusa factorilor de mediu (inclusiv variatiilor de temperatura) a trebuit sa se tina cont de aceasta actiune in procesul de adoptare a solutiilor structurale. Acest lucru s-a facut prin „eliberarea” deformatiilor structurale longitudinale din temperatura pe reazemele de pe capul pilei de sustinere din beton armat (axele 3 si 4).

Procedand in aceasta maniera, similara podurilor metalice, au fost eliminate potentialele stari de tensiune cauzate de variatiile de temperatura. In acelasi timp, reazemele „fixe” ale „podului” au fost amplasate in axul 7, pe muchia versantului stancos (fig. 5). Eliminarea fortelor orizontale (importante!) provenite din variatii de temperatura care ar fi putut actiona la varful pilei din beton armat de sustinere a cladirii in consola si permitand astfel preluarea de catre aceasta doar a incarcarilor verticale a condus la o solutie rationala de proiectare pentru acest element tubular de mari dimensiuni.

In acest mod se evita incovoierea generala a pilei (de fapt o constructie tubulara din beton armat cu inaltimea de 14,0 m care include canale tehnologice verticale, casa scarii si anumite incaperi tehnice) si se genereaza economii, atat pentru partea de structura din beton cat si pentru fundatiile acesteia.

Concluzii

Lucrarea prezinta o cladire industriala, realizata pentru sectorul de vinificatie, avand structura principala de rezistenta realizata din otel, respectiv infrastructura (inclusiv pila de sustinere) din beton armat. Cladirea a fost proiectata de arhitect intr-un mod neconventional, pe de o parte pentru a raspunde cerintei clientului legate de brandul comercial si pe de alta parte pentru a o adapta amplasamentului geografic dificil. Caracterul special al proiectului de arhitectura rezultat in acest mod le-a pus o serie de probleme dificile inginerilor structuristi, obligand la o analiza structurala atenta, respectiv la verificari structurale si de detaliu mai laborioase.

Solutia structurala aplicata s-a bazat pe conceptul de „pod metalic” realizat din profile laminate europene si rezemat la o extremitate pe versantul stancos iar la cealalta extremitate pe o pila tubulara din beton armat. Aceasta din urma a permis realizarea unei portiuni in consola a cladirii avand deschiderea de 10 m (fig. 8). La ora actuala cladirea prezentata se afla in functiune.

Bibliografie

[1] T. Garnier, Une cité industrielle: étude pour la construction des villes. Architectural Theory. From the Renaissance to the present TASCHEN GmbH 2006, pp. 442-453;

[2] R. Wiesinger, Sandwich panels. Application guide. Copyright Ingineur buro fur Metall-u. Maschinenbau. Version 10/2009;

[3] C. Siegel, Structure and form in modern architecture. Space frames. Crosby Lockwood & Son Ltd. Old Brompton Road. London SW7, 1962, pp. 181-189;

[4] *** P100-2013 – Romanian Seismic Design Code – Provisions for Buildings;

[5] ***SR EN 1900-2004 Romanian Code: Basis of Design to EN 1990 – 2002;

[6] ***European Recommendations for the determination of loads and actions on sandwich panels. ECCS Technical Working Group 7.9 Sandwich Panel and Related Structures. 1st Edition, nr. 136/2015;

[7] ***SR EN 1994-1-1. Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings;

[8] ***SR EN 1993-1-1. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings.

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019.)

Autori:
Mircea Georgescu, Viorel Ungureanu, Daniel Grecea – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor; Academia Romana – Filiala Timisoara, CCTFA

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 175 – noiembrie 2020, pag. 60