Calculul si detalierea imbinarii unui stalp din beton armat cu un stalp metalic

Subiectul articolului de fata il constituie solutia de imbinare a unui stalp cu lungimea totala de 24,65 m, impartit in 2 segmente aproximativ egale, astfel: segmentul inferior de beton armat prefabricat clasa C40/50 avand sectiunea de 90×90 cm si o lungime de 14,4 m, respectiv segmentul superior metalic avand clasa de calitate a otelului S355, sectiunea HEB 800 si o lungime de 11,1 m.

Vom face o prezentare conceptuala a nodului si ‒ pe scurt ‒ a structurii in care stalpul este inclus, si vom reda analiza detaliata din punctul de vedere al verificarii capacitatii si rigiditatii acestuia.

Studiul nodului s-a realizat printr-o analiza cu softul dedicat calculului imbinarilor metalice si mixte IDEAStatiCa.

PREZENTAREA LUCRARII

 Imbinarea pe care o vom analiza face parte din structura corpului C7 al unui complex industrial care insumeaza o suprafata construita desfasurata totala de 90.451 mp, cu inaltimi utile cuprinse intre 15,5 si 24,0 m, avand ca scop principal productia de extruziuni din titan si componente prelucrate din titan si aluminiu.

Corpul C7 este localizat in coltul sud-vestic al complexului, are o amprenta de 60×80 m si inaltimea curenta de 15,50 m, cu exceptia unui tronson de 20×40 m cu o inaltime mai mare, de 24 m, dictata tehnologic, in care se gaseste si un pod rulant cu capacitatea de 5 to. Nodul descris face parte din acest turn cu inaltimea de 24 m.

Particularitatile sistemului structural sunt urmatoarele:

• Fundatii izolate de tip pahar (beton C25/30) cu dimensiuni ce variaza intre 3,50 x 3,50 m si 5,50 x 5,50 m, la dimensionarea acestora luandu-se in calcul solicitarile din gruparea speciala cat si valoarea corespunzatoare formarii articulatiei plastice, in conformitate cu prevederile NP112-2013;
• Stalpi prefabricati din beton armat C40/50 incastrati in fundatii, cu sectiunea de 80×80 cm, respectiv 90×90 cm, stabilita din consideratii de rezistenta si flambaj cat si de ordin tehnologic, avand cota superioara de +11,45 m;
• De aici pana la cota +24,0 m urmeaza un sistem structural al turnului realizat din cadre metalice contravantuite centric, formate din stalpi HEB 800 cu console pe care este fixata calea de rulare a podului rulant si grinzi HEA 600 cu moment de inertie variabil, pane IPE 270, contravantuiri RHS 120×5, toate acestea avand clasa de calitate a otelului S355;
• Solutia pentru care s-a optat la partea superioara, pentru sistemul structural metalic al turnului, a avut in vedere limitarea elementelor de beton din punct de vedere al greutatii, astfel incat sa nu genereze elemente agabaritice. Asadar, am optat pentru realizarea stalpilor din doua bucati/tronsoane, beton la partea inferioara si metal la cea superioara, lucru care a asigurat si montajul mai usor al podului, dar si posibilitatea de realizare a unei structuri puternic contravantuite.

Fig. 1: Imagini din timpul montarii structurii

Analiza structurala s-a realizat cu ajutorul programelor dedicate AxisVM, ConSteel, respectiv IDEA StatiCa, tinandu-se cont de normele aflate in vigoare, detalierea acesteia facandu-se cu ajutorul Tekla Structures.

Fig. 2: Imagini din timpul proiectarii

Nodul analizat are scopul de a realiza imbinarea de continuizare intre stalpul de beton si stalpul metalic intr-un mod cat mai simplu si eficient. Fixarea s-a realizat prin intermediul a doua ansamble metalice alcatuite din tabla groasa, de 30 mm, prinse intre ele de stalpul de beton prin intermediul a 5 gauri gofrate cu tije filetate M33 gr.10.9. Stalpul metalic este si el, la randul sau, fixat de aceste 2 ansamble cu 4 tije filetate M33 gr.10.9 in cele 2 extremitati ale axei sale tari. In partea inferioara a placii de baza a stalpului metalic a fost prevazut un profil de forfecare HEA 160 monolitizat in capul stalpului de beton pentru preluarea fortei taietoare din imbinare. Au mai fost prevazute, suplimentar, 4 dornuri M27 incastrate in stalpul de beton, care au rol de calare si montaj al stalpului metalic pe cel de beton.

In urma unei pre-dimensionari realizate cu metode aproximative, rezultatele au fost satisfacatore si s-a luat decizia modelarii si verificarii imbinarii automat, intr-un soft de calcul dedicat.

Verificarea imbinarii a avut in vedere ca nodurile se calculeaza pe baza unor ipoteze realiste de distributie a eforturilor si ca urmatoarele ipoteze trebuie utilizate pentru determinarea distributiei de forte:

• Eforturile interne presupuse in analiza sunt in echilibru cu fortele aplicate in noduri;
• Fiecare element al unui nod este capabil sa preia eforturile interne si momentele solicitante;
• Deformatiile presupuse de distributia aleasa nu depasesc capacitatea de deformare a elementelor de prindere, a sudurilor si a partilor imbinate;
• Distributia de eforturi presupusa in calcul se recomanda sa fie compatibila cu rigiditatea relativa a componentelor nodului;
• Deformatiile considerate in orice model de calcul bazat pe o analiza elasto-plastica sunt fundamentate pe ipoteza rotirilor de corp rigid si/sau a deformatiilor in planul nodului care sunt fizic posibile.

Fig. 3a

Fig. 3 (a+b): Detaliu si sectiuni nod analizat

In procesul de modelare si verificare a nodului au fost luate in calcul cele mai defavorabile ipoteze din gruparea speciala si fundamentala. Insa, pentru a condensa rezultatele, o vom prezenta pe cea mai defavorabila dintre acestea, si anume combinatia Lc-241, care face parte din gruparea fundamentala si combina incarcari provenite din greutate proprie, incarcare tehnologica, pod rulant, zapada si vant.

In urma analizei a rezultat ca in placi nu au fost inregistrate valori ale tensiunilor peste cele maxime admise. Tensiunea maxima se afla in una dintre talpile profilului HEB 800 si are valoarea de 311,5 N/mm². De asemenea, nu au fost inregistrate incursiuni in domeniul plastic ale acestor elemente. Suruburile satisfac verificarile la forfecare, presiune pe gaura, intindere si forfecare prin strapungere. Toate sudurile sunt suduri de colt cu grosimea cordonului egala cu 0,7x t_min., valorile acestora fiind in limitele admise. Verificarile de compresiune pe sectiunea de beton a stalpului nu au evidentiat tensiuni care sa depaseasca valoarea-limita de 24 N/mm² iar profilul de forfecare HEA160 satisface si el cerintele de rezistenta.

Tabel 1: Valorile eforturilor in ipoteza defavorabila

Tabel 2: Raport solicitare imbinare

Fig. 4: Starea de tensiuni si modul de deformare a nodului

Urmatoarea verificare a fost cea a rigiditatii imbinarii, pentru a ne asigura ca nodul are suficienta rigiditate la rotire. Aceasta verificare a fost necesara pentru a avea certitudinea ca realizam un calcul bazat pe continuitate deplina si nu vom avea redistribuiri de eforturi in structura, datorate unui nod de tip semi-rigid. Rezultatele analizei arata ca nodul are o rigiditate la rotire care il incadreaza in categoria nodurilor rigide.

Tabel 3: Valori rezultate din analiza de rigiditate

unde:

M_j,Rd ‒ moment capabil

S_j,ini ‒ rigiditatea initiala la rotire

S_j,s ‒ rigiditate la rotire secanta

Φ ‒ deformatie rotationala

Φc ‒ capacitate de rotire

S_j,R ‒ valoare-limita – nod rigid

S_j,P ‒ valoare-limita – nod articulat

Fig. 5: Graficul curbei moment-rotire Mx

Fig. 6: Graficul curbei moment-rotire My

Fig. 7: Graficul curbei moment-rotire Mz

 CONCLUZII

In prezentul articol se arata modul de concepere, calcul si detaliere a unui nod de continuizare pentru stalpii unei hale industriale compusi din doua materiale si sectiuni diferite. Stalpii fac parte dintr-o zona suprainaltata de tip turn, cu inaltimea totala de 24 m. Aceasta zona adaposteste si un pod rulant la cota de + 22,0 m. Din considerente structurale dar si de gabarit, s-a optat pentru realizarea stalpilor din doua bucati: primul tronson ‒ din beton armat prefabricat cu sectiunea de 90×90 cm si lungimea de 14,40 m, iar al doilea ‒ metalic, cu sectiune HEB 800 si o lungime de 11,10 m.

Verificarile s-au realizat atat din punct de vedere al capacitatii de rezistenta a imbinarii, cat si in scopul de a stabili capacitatea de rotire a acesteia. Astfel, modelarea structurala a fost una complexa si a necesitat folosirea unor programe de calcul avansat, dar si verificarea tuturor elementelor nodului de la tije, praguri de forfecare, compresiuni pe elemente din beton sau eforturi de intindere, trecand la elementele metalice de baza ale stalpului, diverse placi metalice sau suduri.

Necesitatea realizarii unei imbinari rigide, fiind vorba de o imbinare pe lungimea elementului, a fost o cerinta atent urmarita in procesul de proiectare. Atent urmarite au fost si considerentele tehnologice si de montaj, tinand cont ca stalpul inferior este din beton prefabricat si astfel a necesitat pregatirea pentru a se putea realiza usor, rapid si corect imbinarea.

In final, asa cum o arata si materialul fotografic, executia a fost una fara probleme, atat modul de concepere a imbinarii cat si cel structural general fiind corecte. In prezent, exploatarea cladirii se face in conditii optime de functionalitate si siguranta.

Fig. 8: Imagine imbinare din timpul montajului suprastructurii metalice

 REFERINTE

[1] Dan DUBINA, Daniel GRECEA, Adrian CIUTINA, Gelu DANKU, Cristian VULCU: Calculul si proiectarea imbinarilor structurale din otel in conformitate cu SR-EN 1993-1-8; Recomandari, comentarii si exemple de aplicare. Timisoara, 2010;

[2] Adrian DOGARIU: Calculul si proiectarea elementelor metalice. Editura Orizonturi Universitare, Timisoara;

[3] V. GIONCU and D. PETCU (1997): Available rotation capacity of wide flange beam columns. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 43 (1-3): 161-217;

[4] V. GIONCU and F.M. MAZZOLANI (2002): Ductility of Seismic Resistant Steel Structures. Spon Press, London and New York;

[5] J.P. JASPART (1999): Concept of modelling, characterisation, idealisation and classification according to Eurocode 3. Chapter 3 in: Recent advances in the field of structural steel joints and their representation in the building frame analysis and design process. Ed. Jaspart, Brussels, Luxembourg;

[6] SR EN 1990 (2006): Cod de proiectare pentru bazele proiectarii structurilor in constructii. Ministerul Transporturilor, Constructiilor si Turismului, 2006;

[7] SR EN 1993-1.8 (2006): Proiectarea structurilor din otel, Partea 1-8 ‒ Proiectarea imbinarilor. Standard roman, ASRO, 2006;

[8] D. DUBINA (1996): General Report on Coupled Instabilities in bar members, Coupled Instabilities in Metal Structures CIMS’96, Imperial College Press, London, 1996, pp 119-132;

[9] MDRAP. P100-1/2013: Cod de proiectare seismica. Partea I ‒ Prevederi pentru cladiri, UTCB, Bucuresti, Romania, 2013;

[10] T. POSTELNICU: Proiectarea structurilor de beton armat in zone seismice ‒ Vol. I, II, III. Bucuresti, Romania: MarLink, 2012;

[11] E. PANTEL si C. BIA: Metoda elementelor finite pentru structuri de rezistenta, Cluj-Napoca, Romania, Editura Todesco, 2009.

Autori:

s. l. dr. ing. Gelu Mugurel ZAHARIA,

ing. dipl. Cosmin Vasile PASCA ‒ Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 215 – iulie 2024, pag. 42-45