Provocari ingineresti la proiectarea structurii de rezistenta a acoperisului SHOPPING CITY SIBIU

Remodelarea si extinderea cladirilor publice de dimensiuni mari, cum sunt centrele comerciale, vin adesea cu probleme specifice si implica solutii tehnice indraznete care sa raspunda cerintelor de siguranta, deschidere suficienta a spatiilor si fluiditate a traseelor interioare si, nu in ultimul rand, nevoilor estetice.

In cazul complexului comercial Shopping City Sibiu, procesul de remodelare si extindere a presupus proiectarea unui acoperis de circa 1.600 mp, in mijlocul caruia a fost amplasat un luminator de forma eliptica de 27 m lungime si 10 m latime. Dificultatile proiectului au fost cauzate de deschiderea mare a acoperisului, care a putut fi rezemat doar perimetral, pe 13 stalpi de beton armat. Luminatorul s-a rezemat pe grinzi cu zabrele perimetrale, care au format structura acoperisului si care au fost fixate de stalpii de sustinere prin imbinari articulate. In directia transversala, la capetele luminatorului, grinzile perimetrale au fost sustinute prin introducerea a doua ferme spatiale triunghiulare. Detaliem, in cele ce urmeaza, provocarile ingineresti cu care s-a confruntat echipa de proiect in procesul de proiectare.

PREZENTARE GENERALA

Zona de acoperis si structura cu rol de luminator analizate fac parte din proiectul de remodelare si extindere a complexului comercial Shopping City Sibiu, amplasat in localitatea Selimbar, la periferia orasului Sibiu. Suprafata acoperisului metalic este de aproximativ 1.624 m², avand o lungime de 56 m si latime de 29 m (a se vedea zona hasurata in fig. 1). Punctele de rezemare a structurii acoperisului formeaza o retea aleatoare in plan pe 13 stalpi perimetrali din beton prefabricat, conform planului arhitectural realizat de catre biroul de arhitectura HBRO (fig. 1), marcate cu patratele rosii. Acoperisul a fost conceput in doua ape, cu o panta de 2° si invelitoare avand suport din tabla cutata de 80 mm, izolat cu vata minerala de 150 mm si hidroizolatie din membrana PVC.

Din punct de vedere arhitectural, suprafata marcata este delimitata pe 3 laturi de corpuri de cladiri adiacente, avand inclusiv pe cea de-a patra latura (pe axul 7) obstacol pe cca 30% din suprafata peretelui, astfel devenind aproape imposibila asigurarea luminii naturale pentru zona de Food Court.

Fig. 1: Planul corpului de cladire cu luminator (sursa: Biroul de arhitectura HBRO)

Ca urmare, in zona centrala a spatiului a fost prevazut un luminator de forma eliptica, cu lungime de 27 m si latime de 10 m. Pozitionarea lui a necesitat o conformare a structurii acoperisului metalic in asa maniera, incat sa se asigure un spatiu liber, obturarea suprafetei luminatorului de catre elemente structurale fiind in mod expres interzisa. Forma si configuratia spatiala a luminatorului au fost concepute ca o retea triangulara de tevi, care sa permita pe de o parte fixarea sticlei, care formeaza suprafata vitrata, iar pe de alta parte sa se asigure continuitatea canalelor de colectare a condensului.

Inaltimea rezultata a luminatorului propus este de aproximativ 2,6 m. Este compus din 25 de arce din tevi rectangulare SHS 80×4 orientate radial, conectate prin diagonale din tevi rotunde CHS 60,3×5. Initial, rezemarea structurii luminatorului pe fermele acoperisului a fost prevazuta pe o grinda perimetrala de soclu, pentru care a rezultat o inaltime relativ redusa. Limitarea inaltimii reazemului perimetral avea in vedere si limitarea excentricitatilor create prin detaliile constructive: structura spatiala a luminatorului impunea rezemarea la nivelul talpii superioare a grinzii-suport, care la randul sau rezema pe fermele acoperisului. Conceptul initial a necesitat modificarea inaltimii grinzii-suport pentru asigurarea integrarii sistemului de ventilatii, care asigura priza de aer proaspat pentru tratarea volumului de aer interior. Aceasta conditionare a impus inaltimea constructiva de 1,40 metri a grinzii perimetrale-suport in acord cu dimensiunea maxima a tubulaturii de ventilatie si a grilelor de extractie.

Fig. 2 si 3 ilustreaza forma finala a luminatorului, plansele arhitecturale de prezentare cuprinzand zona de extindere a centrului comercial.

Echipa care a contribuit la realizarea proiectului si a constructiei:

• Investitor: NRE SIBIU SHOPPING CITY SRL
• Proiectant general: H.B. DESIGN & HANDELS GmbH / HBRO
• Management de proiect: Implenia Baugesellschaft mbH/Gleeds
• Arhitectura: HBRO
• Proiectant structura metalica: Gordias SRL
• Proiectant structura beton: Plan 31 Ro SRL
• Fabricant structura metalica si constructor: MTD Simplu Construct SRL / PAB SRL

Fig. 2: Fatada laterala (planse Birou arhitectura HBRO)

Fig. 3: Fatada dinspre parcare cu accesul principal (planse Birou arhitectura HBRO)

DESCRIEREA CONCEPTULUI STRUCTURAL

Conceptul structural a pornit de la premisa ca pe aria luminatorului nu ar trebui sa treaca elemente structurale ale acoperisului, maximizand astfel patrunderea luminii naturale dinspre exterior in spatiul interior. Considerand deschiderile semnificative, s-a optat pentru un sistem structural format din grinzi cu zabrele, prezentat in fig. 4. Conexiunea cu structura de beton se face prin intermediul a 13 reazeme articulate. Datorita configuratiei in doua ape a acoperisului, inaltimea fermelor transversale variaza din lateral spre centrul acoperisului de la 3,4 m pana 3,7 m. La marginea structurii luminatorului sunt plasate grinzi spatiale triunghiulare cu latime de 4,95 m, ale caror talpi sunt compuse din profile SHS 250×16 si SHS 350×16, iar diagonalele variaza de la SHS 100×5 pana la SHS 200×16. Fermele transversale reazema pe fermele longitudinale prin imbinari articulate.

Grinda de soclu a luminatorului s-a conceput sub forma unei sectiuni chesonate sudate cu doua inimi, talpa fiind din placi de 14×340 mm si inimile de 8×1.372, rezultand un profil cu inaltimea totala de 1,4 m. Atat inaltimea profilului, cat si pozitionarea golurilor de d=800 mm prin inima acestuia au fost alese in conformitate cu conditiile tehnice impuse de instalatii, in vederea pozitionarii grilelor de extractie. Fiecare gol tehnologic a fost rigidizat cu un guler de teava cu grosime de 8 mm.

Fig. 4: Ansamblu spatial al structurii acoperisului cu luminatorul

Dimensiuni caracteristice − structura acoperis:

• Latimea: 29 m
• Lungimea: 56 m
• Inaltimea min./max. a fermelor: 2,47 m − 3,68 m
• Panta acoperis: 2°
• Greutate structura: 130 t

Dimensiuni caracteristice − structura luminator:

• Latimea: 10 m
• Lungimea: 27 m
• Inaltimea totala: 4 m (2,6 + 1,4 m)
• Inaltime grinzi perimetrale: 1,4 m
• Greutate structura: 20 t

Fig. 5: Vedere laterala a structurii acoperisului cu amplasarea luminatorului

Fig. 6: Sectiune longitudinala a structurii acoperisului prin luminator

Fig. 7: Sectiune transversala prin luminator si vederea de sus a structurii acoperisului

DETALII PRIVIND CALCULUL STRUCTURII − ANALIZA GLOBALA

Incarcarile considerate in analiza structurii au fost urmatoarele:

• Incarcarile permanente pe acoperis g_k= 0,5 kN/m²
• Incarcarea tehnologica u_k= 0,7 kN/m²
• Incarcarea din zapada s-a considerat conform CR 1-1-3-2012 [1], s_o,k=1,2 kN/m²
• Incarcarea din vant conform CR 1-1-4-2012 [2], q_ref=0,6 kN/m²
• Actiunea seismica s-a evaluat conform P100-1-2013 [3], a_g=0,2 g, T_c=0,7 sec
• Combinatiile incarcarilor s-au evaluat in conformitate cu CR 0-2012 [4], privind gruparea efectelor structurale ale actiunilor pentru verificarea la stari limita ultime.

Structura a fost dimensionata conform prevederilor SR-EN 1993-1-1 [5], SR-EN 1993-1-3 [6], SR-EN 1993-1-5 [7], SR-EN 1993-1-8 [8] si P 100/2013-1 [3] folosind programul de analiza structurala Consteel [9] pentru configurarea globala, respectiv IDEA StatiCa [10] pentru detalierea imbinarilor. In fig. 8 si 9 se pot vedea deformatiile verticale ale structurii si gradul de utilizare, conform calculelor efectuate. Deformatia maxima relativa a fost evaluata ca fiind max. 30 mm.

Elementele principale de rezistenta orizontale au fost protejate cu vopsea termospumanta in vederea asigurarii rezistentei la foc de minimum 45 min.

Fig. 8: Deformatii verticale SLS maxime (deformatii relative max. 30 mm) in programul de analiza structurala Consteel

Fig. 9: Gradul de utilizare a elementelor in SLU

ASPECTE PRIVIND PROCESUL DE PROIECTARE (ANALIZA DETALIATA) SI EXECUTIE

Comportarea grinzii de tip soclu a luminatorului a fost investigata in detaliu, cu ajutorul unui model complex, utilizand elemente finite de tip shell. Reazemele grinzii cu rol de suport al luminatorului au fost definite ca reazeme tasabile, luand in considerare deformatiile fermelor de acoperis. Curbura grinzii fiind realizata din segmente drepte, initial s-au aplicat goluri tehnologice cu diametru de 800 mm in fiecare segment drept indeajuns de mare, studiind numarul maxim si diametrul maxim de penetrare. Din cauza concentrarilor de eforturi in jurul reazemelor (fig. 10) si a riscurilor de voalare locala a inimii grinzii-suport sub efectul fortelor concentrate din dreptul reazemelor (α_cr=14,17 − fig. 11), s-au eliminat golurile de deasupra reazemelor, ajungandu-se la configuratia executata si prezentata in fig. 12.

Fig. 10: Analiza shell a grinzii soclului – σHMH Concentrari de eforturi

Fig. 11: Analiza stabilitatii (stanga: αcr=10,74; dreapta: αcr=14,17)

Fig. 12: Configuratia finala a grinzii-suport si a luminatorului

Pe fondul dimensiunilor acoperisului si al accesului limitat cu utilaje de ridicare, tehnologia de montaj al structurii a necesitat o atentie sporita inca din fazele incipiente ale proiectarii. Structura luminatorului, grinda-suport de forma elipsoidala, respectiv fermele spatiale au necesitat preasamblare la sol, fiind ridicate pe pozitie intr-o singura bucata. Etapele cu ordinea de montaj al ansamblelor sunt prezentate in fig. 13, fiecare etapa fiind marcata cu o culoare diferita. In etapa I, fermele perimetrale au necesitat stabilizare suplimentara, pana in momentul montarii fermelor spatiale din etapa II. Elementele principale ale fermei spatiale au fost compuse din trei bucati, prinse prin imbinare cu suruburi, pentru a permite transportarea gabaritica a acestora. Deoarece sudarea diagonalelor in fabrica ar fi necesitat transport agabaritic cu costuri destul de mari, s-a optat pentru sudarea diagonalelor in santier, dupa premontarea si pozitionarea elementelor principale.

Pentru a asigura stabilitatea in faza de montare a structurii, pe tot parcursul acestui proces s-au pastrat elementele de stabilizare a fermelor perimetrale. Dupa montarea fermelor spatiale, s-au pozitionat fermele longitudinale intermediare, marcate cu culoarea galbena, mai apoi fermele transversale intermediare, marcate in fig. 13 cu culoarea gri. Grinda-suport a fost asamblata din 10 bucati, sudate pe santier si prinse articulat in 10 puncte de rezemare pe fermele transversale, prin intermediul unor ansamble de suport (fig. 14). Ansamblele de suport au fost concepute in asa fel incat sa produca un brat de parghie. Cele doua capete ale elipsei nu au fost fixate de ferma spatiala, din cauza diferentei de rigiditate dintre fermele longitudinale si cele doua ferme spatiale transversale. In mod intentionat au fost pastrate spatii pentru a permite deplasarea pe verticala, in vederea eliminarii reactiunilor exagerate aparute din diferentele de rigiditate. Aceasta etapa este surprinsa in fig. 15, prin imagini de pe parcursul montajului. In ultima etapa, structura luminatorului a fost prinsa de grinda-suport, dupa pozitionarea acesteia prin sudura de santier.

Fig. 13: Etape de montaj grupate pe culori

Fig. 14: Conceptul rezemarii luminatorului pe structura

Fig. 15: Poze de pe parcursul montajului (etapa V)

Dupa cum se poate vedea si din detaliile de imbinare prezentate in fig. 16 si 17, metodele standardizate conform SR EN 1993-1-8 au fost posibil de aplicat numai in cateva situatii, majoritatea imbinarilor necesitand analize individuale, in afara conditiilor acoperite de norme. Au fost necesar de conceput detalii particulare ca configuratie si analiza a acestor detalii la eforturi insemnate ca intensitate. Un astfel de caz a fost detaliul de imbinare a talpii intinse a fermei spatiale, unde forta axiala la imbinarea de continuizare a talpii (fig. 16) a fost de 2.750 kN. Imbinarea a fost realizata folosind 12 suruburi M36-Gr. 10.9, ajungand la o utilizare de 85% a suruburilor.

Fig. 16: Imbinare de continuizare pentru talpa inferioara a fermei spatiale

Fig. 17: Exemple de imbinari concepute

CONCLUZII  

Chiar daca la o prima vedere poate parea un proces banal, remodelarea si extinderea complexului comercial Shopping City Sibiu, care a constat in proiectarea unui acoperis de circa 1.600 mp, in mijlocul caruia a fost amplasat un luminator de forma eliptica de 27 m lungime si 10 m latime, a necesitat un intreg arsenal de detalii si analize sofisticate. Dificultatile au fost cauzate de deschiderea mare a acoperisului, care a putut fi rezemat doar perimetral, pe 13 stalpi de beton, dispusi fara o regularitate in plan. Structura luminatorul si rezemarea lui pe reteaua de grinzi cu zabrele perimetrale au necesitat spirit de inventivitate, impunand aplicarea cate unui detaliu particular aproape in fiecare nod. Reteaua neregulata de rezemare, care a creat dificultatile de configurare structurala, combinata cu neuniformitatile de incarcari, au necesitat atentie sporita in evaluarea raspunsului structural sub efectul diferitelor combinatii de incarcari. Deformatiile relative mari intre punctele de rezemare pot avea efecte nefaste asupra comportamentului in exploatare al luminatorului, de aceea verificarile in SLS au avut un rol vital in analiza. Analizele rulate pe submodele simplificate dublate de verificarile sub efectul diferitelor combinatii de incarcari pe un model complex 3D s-au dovedit deosebit de utile in vederea identificarii zonelor sensibile, care au capatat in final detalii adecvate.

REFERINTE

[1]      Cod de proiectare. Evaluarea actiunii zapezii asupra constructiilor. Indicativ CR 1-1-3-2012;

[2]      Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vintului. Indicativ CR 1-1-4-2012;

[3]      P 100-2013: Cod de proiectare seismica P 100. Partea I: Prevederi de proiectare pentru cladiri;

[4]      CR 0-2012: Cod de proiectare pentru bazele proiectarii structurilor in constructii;

[5]      SR EN 1993-1-1 Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri;

[6]      SR-EN 1993-1-3: Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-3: Reguli suplimentare pentru elemente structurale si table formate la rece;

[7]      SR-EN 1993-1-5: Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-5: Elemente structurale din placi plane solicitate in planul lor;

[8]      SR-EN1993-1-8:Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-8: Proiectarea imbinarilor;

[9]      Consteel software user manual – www.consteelsoftware.com;

[10]    IDEA StatiCa software user manual – www.ideastatica.com.

Autori:

 Zsolt NAGY − Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii, Departamentul de Structuri | Gordias SRL, Cluj-Napoca

Zoltan KISS − Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii, Departamentul de Structuri | Plan 31 RO SRL, Cluj-Napoca

Karoly BALINT − Plan 31 RO SRL, Cluj-Napoca

Andrea DEZO − Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii, Departamentul de Structuri | Gordias SRL, Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 211 – martie 2024, pag. 33-37