Consolidarea unei cladiri multietajate cu structura in cadre de otel si diafragme de beton armat. Partea a II-a: Teste experimentale pe elemente de placa consolidate prin suprabetonare

In prima parte a articolului (Revista Constructiilor nr. 198, decembrie 2022), v-am prezentat concluziile vizitelor tehnice pe amplasament, rezultatele analizelor structurale si propunerile de interventie pentru asigurarea sigurantei in exploatare, inclusiv un studiu de robustete privind rezistenta la colaps progresiv a constructiei care face obiectul acestui articol – o cladire existenta cu structura in cadre de otel si diafragme de beton armat, cu 11 nivele, dintre care ultimele 3 partial retrase, amplasata intr-o zona seismica cu intensitate moderata.

Continuam cu prezentarea rezultatelor programului experimental derulat in vederea evaluarii solutiei de consolidare pentru planseele cladirii. Planseele investigate sunt realizate in solutie compusa otel-beton, din tabla cutata amprentata, placa de beton si armatura din plase sudate. Structura principala a fost finalizata in 2003, insa fara montarea peretilor de inchidere si partial a acoperisului, ceea ce a dus la avarii extinse la nivelul protectiei anticorozive a elementelor metalice, inclusiv a tablei cutate amprentate. Construirea a fost apoi oprita pana in 2016, o expertiza fiind absolut necesara pentru reluarea procesului. Consolidarea propusa consta dintr-un strat suplimentar de beton (suprabetonare), armat cu plasa sudata. Legatura cu placa existenta se face cu ajutorul unor ancore mecanice (conectori) fixate prin insurubare in gauri executate in prealabil. Pentru a evalua contributia conectorilor la rezistenta si rigiditatea placii, au fost utilizate doua configuratii. In prima configuratie au fost dispusi 10 conectori /placa, iar in a doua, 14 conectori /placa. Rezultatele testelor au aratat ca solutia propusa conduce la o crestere semnificativa a capacitatii portante si asigura cerintele de rezistenta si rigiditate rezultate din calcul.

Programul experimental a avut ca scop evaluarea unei solutii de consolidare pentru planseele cladirii mentionate, plansee realizate in solutie compusa otel-beton, din tabla cutata amprentata, placa de beton si armatura din plase sudate. Grosimea nominala a placii este de 75 mm iar inaltimea tablei cutate, de 55 mm. Cauza principala a interventiei a constituit-o coroziunea extinsa a tablei cutate suport (fig. 1a). In lipsa aportului tablei cutate, capacitatea portanta a placilor este insuficienta fata de cerintele de calcul, si anume un moment incovoietor maxim de 6.5 kNm rezultat din combinatia de incarcari dominanta.

Testele au avut ca scop evaluarea eficientei unei solutii de consolidare obtinute prin dispunerea unui strat suplimentar de beton (suprabetonare), armat cu plasa sudata, pentru care conlucrarea cu placa existenta se asigura cu ajutorul unor conectori din otel. Procedura de testare a cuprins incercari standard la forfecare pe conectori, incercari la incovoiere pe placi neconsolidate, incercari la incovoiere pe placi consolidate cu suprabetonare si conectori (in mai multe alcatuiri) si incercari pe materiale (armatura, beton) prelevate din placile existente si din suprabetonare.

Specimenele incercate experimental au fost extrase din mai multe zone de planseu (fig. 1b).

 Vedere de detaliu cu intradosul planseului (tabla cutata afectata de coroziune) (a) si plan etaj curent cu zonele de extragere a placilor (b)

DESCRIEREA PROGRAMULUI EXPERIMENTAL

Prezentare generala

Specimenele incercate experimental sunt realizate din beton armat turnat pe o tabla cutata amprentata cu inaltimea de 55 mm. Avand in vedere coroziunea extinsa a tablei cutate pe mai multe zone de placa, specimenelor experimentale (atat celor existente cat si celor consolidate) li s-a indepartat tabla cutata, fiind pastrata doar placa de beton armat. Initial au fost extrase patru bucati mai mari de placa (numerotate de la 1 la 4), din care au fost taiate bucati cu lungimea de circa 1.675 m si respectiv latimea de circa 0.75 m (Tabel 1). Testele experimentale au fost realizate la laboratorul CMMC de la Universitatea Politehnica Timisoara. Grosimea placilor pentru fiecare specimen variaza intre 75 mm si 85 de mm (la varful cutei), dupa cum se poate observa in Tabelul 1.

Procedura de testare a cuprins urmatoarele tipuri de incercari (Tabel 1):

• Incercari standard la forfecare pe conectori, denumite TC
• Incercari la incovoiere pe placi neconsolidate (existente), denumite TPE
• Incercari la incovoiere pe placi consolidate cu suprabetonare si conectori:
  • cu 10 conectori, denumite TPS1
  • cu 14 conectori, denumite TPS2

Pentru a determina caracteristicile mecanice, au fost realizate si teste pe materiale (teste la compresiune pe beton si teste la intindere pe armatura), atat din placile existente cat si din placa noua (suprabetonare).

Tabelul 1: Dimensiuni geometrice placi

Descrierea specimenelor pentru incercari standard pe conectori

Pentru testele la forfecare pe conectori, au fost realizate 3 specimene folosind prevederile din SR EN 1994-1-1:2004 [2], dupa cum se vede in figura 3 si figura 4a. Pentru construirea specimenelor, au fost realizate urmatoarele operatii:

• S-au selectat pentru testare cele doua placi din seria 2 (2.1 si 2.2).
• Cele doua placi s-au taiat pe latime in cate 3 elemente fiecare (elementele din prima placa notate cu A si cele din cea de-a doua placa notate cu B) (fig. 4b).
• Din fiecare placa s-a luat cate o bucata din seria A si din seria B cu care s-a realizat un specimen (tabla cutata existenta a fost indepartata).
• S-au dat 4 gauri pe fiecare placa, in care s-a introdus cate un conector Hilti HUS3 8 mm – adancime 80 mm.
• S-a montat carcasa de armatura (plasa ϕ6 / 100 mm), s-a cofrat si s-a turnat betonul (C30/37) (fig. 4c).

Protocolul de incarcare folosit este cel recomandat in SR EN 1994-1-1, si anume:

• Incarcarea se aplica la inceput in trepte pana la 40% din incarcarea de rupere asteptata (valoarea obtinuta in testul TPS2-1) si apoi se executa 10 cicluri de incarcare intre 5% si 40% din incarcarea de rupere asteptata.
• Se aplica apoi trepte de incarcare astfel ca ruperea sa nu aiba loc in mai putin de 15 min.

Specimene pentru testele pe conectori: a) geometria specimenelor; b) cele doua parti inainte de turnarea betonului (cele 4 ancore sunt fixate); c) specimenele inainte de turnare (stanga) si dupa decofrare (dreapta)

Descrierea specimenelor pentru incercari la incovoiere pe placi

Pentru testele pe placile existente, au fost selectate doua placi, una din seria 3 (3.3), denumita TPE-1, si una din seria 4 (4.3), denumita TPE-2. Inainte de testare, a fost indepartata tabla cutata. Pentru evaluarea calitatii betonului din placa existenta, au fost extrase carote circulare care au fost incercate la compresiune (fig. 5). De asemenea, dupa testare au fost extrase armaturi din zonele marginale de placa (nivel redus de solicitare pe durata testului, stadiu elastic) care au fost incercate la intindere.

Consolidarea placilor existente s-a facut prin turnarea unei suprabetonari cu grosimea de 6 cm armata cu ϕ6/100 mm. Legatura dintre placa existenta si suprabetonare s-a facut cu conectori Hilti HUS3-H 8 (8 mm diametru) fixati prin insurubare in gauri executate in prealabil. Conectorii sunt realizati din otel cu limita de curgere f_yk = 695 N/mm² si rezistenta ultima f_ck = 810 N/mm². Pentru a evalua contributia conectorilor la rezistenta si rigiditatea placii, au fost utilizate doua configuratii. In prima configuratie au fost dispusi 10 conectori / placa, iar in a doua, 14 conectori / placa. Figura 6a prezinta schitat placa existenta cu conectorii fixati (stanga) si dupa turnarea suprabetonarii (dreapta) (numarul de conectori variaza de la solutia 1 la solutia 2). Figura 6b prezinta o placa existenta pe care s-au fixat 10 conectori, inainte de cofrare (stanga) si dupa dispunerea cofrajului si a plasei de armatura (dreapta). Figura 7 prezinta specimenele consolidate dupa decofrare.

Schema de incarcare la incovoiere este prezentata in figura 8. Deschiderea intre cele doua reazeme este de 1.500 mm, iar cele doua forte (notate P/2) sunt aplicate la distanta de 400 mm de reazeme prin intermediul unor grinzi transversale. Au fost testate in total 6 placi, si anume:

• 2 incercari pe placi neconsolidate (existente), denumite TPE-1, TPE-2;
• 2 incercari pe placi consolidate cu suprabetonare si 10 conectori, denumite TPS1-1, TPS1-2;
• 2 incercari pe placi consolidate cu suprabetonare si 14 conectori, denumite TPS2-1, TPS2-2.

Protocolul de incarcare consta in aplicarea crescatoare a fortei pana la cedarea structurii, durata de aplicare a incarcarii fiind de minimum 15 minute. Pentru specimenul TPS2-2 a fost utilizat un protocol de incarcare diferit, si anume:

– Incarcarea se aplica la inceput in trepte pana la 40% din incarcarea de rupere asteptata (valoarea obtinuta in testul TPS2-1) si apoi se executa 10 cicluri de incarcare intre 5% si 40% din incarcarea de rupere asteptata.

– Se aplica apoi trepte de incarcare astfel ca ruperea sa nu aiba loc in mai putin de 15 min.

Aceasta procedura poate determina eventuala alunecare a conectorilor in domeniul de incarcari asociat exploatarii curente a structurii.

REZULTATELE INCERCARILOR EXPERIMENTALE

Rezultatele incercarilor standard la forfecare pe conectori

Programul experimental a cuprins 3 specimene, denumite TC1, TC2  si TC3. Protocolul de incarcare folosit este cel recomandat in SR EN 1994-1-1 (descris mai sus). Figura 9 prezinta curbele forta-deplasare pentru incercarile la forfecare pe conectori (forta este data pentru un singur conector). Rezultatele sunt comparate cu valorile caracteristice si de proiectare obtinute conform SR EN 1994-1-1 [2] si respectiv documentatiei tehnice Hilti [1], dupa cum urmeaza (Tabel 2):

– rezistenta caracteristica P_Rk se ia ca valoare minima de rupere (impartita la numarul de conectori) redusa cu 10% [2]

 – rezistenta de proiectare P_Rd este calculata cu relatia:

in care:

f_u este rezistenta ultima a materialului din conector;

f_ut este rezistenta ultima reala a materialului conectorului in proba incercata;

g_V  este coeficientul partial de siguranta pentru conexiunea de forfecare.

Nota: Valoarea g_V este indicata in Anexa nationala. Valoarea recomandata este 1.25.

Asa cum se poate observa din Tabelul 2, valoarea de calcul recomandata de producator este mai mare decat valoarea limita a zonei liniare din testele experimentale pentru doua dintre cele 3 teste (vezi si figura 1). Prin reducerea valorii minime cu un factor de siguranta de 1.15, se obtine o valoare de proiectare P_Rd__corectat = 12.78 kN, care reprezinta valoarea limita a zonei de comportare liniar elastice. Figura 10 prezinta modul de cedare pentru 2 dintre cele 3 specimene. Se poate observa ca o parte dintre conectori au cedat prin forfecare (foto dreapta, sirul de conectori de sus) iar o parte au suferit deformatii mari, fara insa sa cedeze sau sa se smulga din beton.

Rezultatele incercarilor la incovoiere pe placi

1. Placi neconsolidate (existente), TPE

Figura 11 prezinta curbele forta-deplasare obtinute in urma testelor pe placile existente. Folosind schema statica prezentata in figura 12a, s-au calculat punctele caracteristice ale curbei de comportare moment-rotire, si anume M_A (fisurarea betonului), M_B(curgerea in armaturile intinse) si M_C (cedarea cauzata de strivirea betonului/ruperea armaturilor) (fig. 12b). In Tabelul 3 sunt prezentate valorile momentelor M_A, M_B si M_C si rotirile aferente. Asa cum se poate observa, pentru ambele placi momentele M_A si M_B sunt mai mici decat valoarea minima necesara M_Ed=6.5 kNm.

Valorile mai mari ale fortelor (si momentelor) pentru cele trei domenii de comportare aferente placii TPE-2 sunt date de grosimea mai mare a placii (85 de mm TPE-2 fata de 75 mm TPE-1) si un numar mai mare de armaturi rezultate in urma taierii (placa contine si plase de armatura din zona de innadire).  Figurile 13 si 14 prezinta placile TPE-1 si TPE-2 inainte de testare (stanga) si dupa testare (dreapta).

2. Placi consolidate, TPS

Figura 15 prezinta curbele forta-deplasare obtinute in urma testelor pe placile consolidate prin suprabetonare. Folosind schema geometrica prezentata in figura 12a, s-au calculat punctele caracteristice ale curbei de comportare, si anume M_A (fisurarea betonului), M_B (curgerea in armaturile intinse) si M_C (cedarea cauzata de strivirea betonului/ruperea armaturilor) (fig. 16). In Tabelul 4 sunt prezentate valorile momentelor M_A, M_B si M_C si rotirile aferente. Nota: (*) Specimenul a prezentat goluri in placa in zona centrala, cauzate de o turnare defectuoasa a betonului (segregare, goluri la partea inferioara a placii), care au dus la o scadere a capacitatii de rezistenta si in special de rigiditate. Zona cu defecte a putut fi observata dupa indepartarea tablei cutate; (**) Specimenul a cedat fragil prin ruperea armaturii inainte de a se produce deformatii plastice semnificative 

Cele doua placi consolidate cu 10 conectori (TPS-1-1 si TPS-1-2) au prezentat valori similare ale momentelor la curgere si maxime (M_B si M_C) insa valori foarte diferite ale momentului M_A (fisurarea betonului) si respectiv ale rigiditatii initiale. Reducerea de capacitate in cazul placii TPS-1-2 este cauzata de turnarea defectuoasa a betonului, cu segregari evidente si goluri la partea inferioara a placii. Zona cu defecte a putut fi observata deoarece tabla cutata a fost indepartata (fig. 17).

Ambele specimene TPS-2, consolidate cu 14 conectori, au prezentat valori mai mari ale momentului M_A fata de seria TPS-1. Placa TPS-2-1 a suferit insa o cedare fragila cauzata de ruperea armaturii. Specimenul TPS-2-2 a aratat cele mai mari valori ale caracteristicilor de rezistenta si ductilitate (rotirea maxima).

Comparativ cu placile neconsolidate (existente), solutia de consolidare cu suprabetonare si conectori (fara considerarea placii TPS-1-2 care a prezentat defecte grave de turnare) conduce la valori ale momentului M_A si M_B mai mari decat cerinta minima rezultata din calcul M_Ed=6.5 kNm.

Pentru a evalua posibila desprindere a celor doua placi (placa existenta si suprabetonarea) sub incarcari gravitationale, specimenele au fost instrumentate si monitorizate folosind sistemul video VIC 3D (corelare digitala a imaginilor https://www.correlatedsolutions.com/). Cele 3 puncte monitorizate sunt amplasate sub punctele de aplicare a fortelor (CV1, CV3) si la mijlocul deschiderii (CV2) (fig. 18). Figura 19 prezinta evolutia deplasarilor relative dintre cele doua placi pentru testul TPS-2-1. Se poate observa ca cele doua placi incep sa se desprinda la o valoare a fortei egala cu 68.96 kN, corespunzatoare momentului de fisurare M_A (in punctul 3). La atingerea fortei maxime, deplasarea relativa are inca valori destul de reduse (sub 0.5 mm). Figura 20 prezinta specimenulTPS-2-1 inainte si dupa testare, cu evidentierea formei deformate si a modului de cedare.

Pentru a observa modul de lucru al conectorilor si deformatiile lor remanente dupa cedarea placii, a fost decopertata placa TPS-2-2 (care a avut deformatiile ultime cele mai mari) (fig. 21a). Figura 21b prezinta detalii cu modul de deformare al conectorilor (dezveliti dar fixati in placa de beton veche). Pentru a face masuratori in detaliu, conectorii D1 – D3 au fost scosi din placa si au fost masurate in detaliu deformatiile transversale. Se poate vedea ca deformatia scade pe masura ce conectorii sunt fixati catre mijlocul placii, valoarea maxima inregistrand-se in conectorul D1, la care deformatia transversala masoara circa 8 mm.

CONCLUZII

Lucrarea prezinta rezultatele experimentale obtinute pe elemente de placa extrase din planseele unei cladiri existente cu 11 nivele. Propunerile de interventie au fost necesare din cauza degradarilor in timp suferite de structura, in special a coroziunii tablei cutate din planseele compuse. Eficienta solutiei propuse pentru intarirea planseului existent a fost testata experimental, folosind atat teste standard la forfecare, cat si teste la incovoiere pe elemente de placa. Pentru optimizarea solutiei de interventie, au fost testate doua configuratii de dispunere a conectorilor.

Rezultatele au aratat ca dispunerea unei suprabetonari cu grosime de 6 cm, cuplata cu dispunerea de conectori fixati mecanic, conduce la o crestere semnificativa a capacitatii portante, peste valorile maxime ale momentelor incovoietoare rezultate din calcul, pentru ambele configuratii de conectori. Astfel, comparativ cu placile neconsolidate (existente), solutia de consolidare cu suprabetonare si conectori (fara considerarea placii TPS-1-2 care a prezentat defecte grave in beton) conduce la valori ale momentelor M_A si M_B mai mari decat cerinta minima rezultata din calcul, M_Ed=6,5 kNm. De asemenea, conectorii asigura o buna legatura intre placa existenta si suprabetonare, deplasarile relative fiind foarte mici.

MENTIUNI

Programul experimental a fost partial sustinut de Hilti Romania, care a asigurat consultanta tehnica pe durata derularii programului experimental.

REFERINTE

[1] Hilti (n.d.). https://www.Hilti.Ro/c/CLS_FASTENER_7135/CLS_SCREW_ANCHORS_7135/R12910874;

[2] SR EN 1994-1-1:2004 – Proiectarea structurilor compozite de oţel beton. Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri. ASRO, (2004);

[3] VIC-3D Digital Image Correlation Software, Correlated Solutions Inc.; 2016.

Autori:

prof. univ. dr. ing. Florea DINU, prof. univ. dr. ing. Dan DUBINA – Universitatea Politehnica Timisoara, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor. Academia Romana, Filiala Timisoara

l. dr. ing. Calin NEAGU – Universitatea Politehnica Timisoara, Departamentul CMMC

ing. Constantin STANCIU – Structural ING LTD

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 199 – februarie 2023, pag. 34-39