Proiectarea unei sarpante de forma baroca folosind structura metalica (II)

(continuare din nr. 226 ‒ iulie 2025)

CALCUL STRUCTURAL

Incarcarile considerate in analiza structurii au fost urmatoarele:

• Incarcarea permanenta pe acoperis din greutatea proprie a acoperisului;
• ncarcarea utila pe zona de birouri q_k = 2,5 – 3,0 kN/m², incarcarea utila pe zonele de locuinte q_k = 1,5 – 2,0 kN/m², incarcarea utila pe scara principala 5,0 kN/m²;
• Incarcarea din zapada s-a considerat conform CR 1-1-3-2012 [4], s_o,k = 1,50 kN/m²;
• Incarcarea din vant conform CR 1-1-4-2012 [5], q_ref = 0,4 kN/m²;
• Actiunea seismica s-a evaluat conform P 100-1-2013 [6], a_g =0,15 g, T_c = 0,7 s, γ₁= 1,0 (clasa de importanta III), q = 1,5;
• Combinatiile incarcarilor s-au evaluat in conformitate cu CR 0-2012 [7], privind gruparea efectelor structurale ale actiunilor pentru verificarea la stari limite ultime.

Structura metalica a fost dimensionata conform prevederilor SR EN 1993-1-1 [8], SR EN 1993-1-3 [9], SR EN 1993-1-5 [10], SR EN 1993-1-8 [11] si P 100/2013-1 [6] folosind programul de analiza structurala ConSteel [12] pentru configurarea globala si respectiv IDEA StatiCa [13] pentru detalierea imbinarilor.

Planseul compozit s-a dimensionat folosind programul de calcul ABC – ArcelorMittal Beams Calculator v3.62 [14]. Verificarea s-a facut pentru 2 etape de constructie: etapa de turnare, fara utilizarea popilor, si etapa finala. Dupa intarirea betonului, s-a tinut cont de conlucrarea grinzilor metalice cu placa de beton armat, prin intermediul gujoanelor de tip Nelson 5/8” (16 mm), cu h = 100 mm amplasate pe un singur rand la mijlocul talpii superioare a grinzilor, in fiecare cuta.

Sageata verticala maxima s-a interceptat la grinzile IPE180 cu lungime de 5,4 m, aceasta fiind 16,3 mm in combinatia de incarcari aferente Starii Limita de Serviciu, care, in comparatie cu deschiderea, este de L/331. Frecventa de vibratie estimata a planseului este de 8,92 Hz pentru combinatia de G + 1,00*Q, 10,01 Hz pentru G + 0,6*Q, respectiv 11,15 Hz pentru G + 0,3*Q, unde G este greutatea proprie pardoselii si Q este incarcarea utila.

Structura principala a sarpantei baroce cu supanta a fost dimensionata pentru combinatii de incarcari din CR 0-2012, folosind un model spatial. In programul ConSteel structura s-a configurat din elemente de tip bara, cu 7 grade de libertate in fiecare nod, precum deplasare in cele 3 directii principale, rotire in jurul axelor principale si deplanarea sectiunii (warping). Procentul de utilizare a elementelor din combinatia de incarcari dominanta este prezentat in fig. 12.

Rigiditatea constructiei s-a verificat atat in directii orizontale cat si in directia verticala. Acoperisul in sine este o structura rigida, deplasarile orizontale nu depasesc pragul de L/600. Planseul uscat intermediar are o rigiditate redusa in directia verticala, sageata maxima fiind aproximativ L/250. Datorita flexibilitatii, frecventa de vibratie a planseului este relativ joasa. Valorile minime in diferite zone variaza intre 5,4 si 6,2 Hz, pentru combinatia de incarcare G + 0,6*Q.

Fig. 12: Gradul de utilizare a elementelor in SLU pentru combinatia de incarcare dominanta

Fig. 13: Deplasari orizontale maxime SLU (deformatii relative max. SLS 0,7*12,6 mm = 8,4 mm) in programul de analiza structurala ConSteel

Fig.14: Deformatia verticala a supantei (sageata maxima SLS 0,7*28 mm = 19,6 mm) in programul de analiza structurala ConSteel

Scara principala a fost dimensionata in programul de calcul ConSteel, folosind elemente de tip placa (shell). Prima rampa fiind in consola, distributia incarcarilor este una neuniforma. Pentru identificarea comportarii structurale si verificarea sectiunilor, simplificarea structurii nu a fost posibila. Elementele de legatura si rigidizarile au fost incluse in modelul de calcul. Placile metalice au fost conectate cu elemente de bare, echivaland suruburi. Reteaua este formata din elemente finite cu 3 noduri, avand marime de aproximativ 40 mm.

Fig. 15: Scara din elemente de tip placa si deformatia structurii sub efectul incarcarilor gravitationale

PROVOCARI IN FAZA DE PROIECTARE SI PE PARCURSUL EXECUTIEI

1. Forme si dimensiuni oblice

Obiectul proiectului, ca orice cladire istorica, este greu de relevat cu metodele clasice, deoarece elementele structurale sunt neregulate, la fel si formele in plan. Pe parcursul executiei, au fost efectuate mai multe scanari 3D cu tehnologia LiDAR. Produsul scanarii este un nor de puncte, care poate fi vizualizat si post-procesat in softuri ingineresti avansate. Amprenta in plan la nivelul acoperisului a fost determinata pe baza scanarii, dupa demolarea sarpantei existente.

Programele de calcul in 3D sunt de mare folos in cazul unei astfel de cladiri, deoarece distributia incarcarilor nu este uniforma intre sectiuni. Detalierea structurii s-a realizat in programul Tekla Structures [15], cu crearea modelului spatial al elementelor structurale, introducand punctual fiecare surub si placa de rigidizare. Sistemul de grinzi de acoperis este relativ dens, pentru a obtine geometria multi-unghiulara. Datorita traveilor mici au rezultat sectiuni reduse ale elementelor principale de rezistenta, precum IPE200 si HEA180. Dat fiind spatiul limitat, configurarea imbinarilor s-a efectuat cu atentie deosebita, pentru a asigura montabilitatea acestora prin intermediul imbinarilor cu suruburi, pastrand spatiu suficient pentru pozitionarea si strangerea organelor de asamblare. Fara abordarea in 3D a modelului structural in faza de executie pot rezulta dificultati de montaj. Modelarea spatiala a simplificat detalierea imbinarilor la intersectia barelor oblice fata de planuri principale.

2. Abateri de executie

Abaterile de executie intalnite la obiectele din beton armat turnate in situ au o magnitudine de scara mai mare fata de structurile metalice, fabricate in ateliere. Chiar daca imbinarile intre structura metalica si cea de beton au fost proiectate cu o toleranta considerabila, abaterile dintre pozitiile teoretice si executate le-au depasit pe cele estimate. Pentru a obtine o structura montabila prin suruburi, ansamblele metalice au fost executate prin control in mai multe etape. Dupa fiecare faza relevanta, s-a realizat un releveu de control. Pe baza pozitiilor executate si interceptate, elementele de legatura intre structura metalica si structura din beton au fost adaptate inainte de a fi trimise spre fabricatie. Plansele de executie au fost pregatite numai dupa procesarea masuratorilor anterioare.

Desi, inainte de turnarea betonului, pozitia elementelor inglobate in centura a fost verificata, acestea s-au decalat in timpul executiei. In plan orizontal, toleranta de ± 20 mm s-a demonstrat a fi suficienta, insa toleranta pe verticala de ± 8 mm oferita de placile de compensare nu a fost de ajuns.

S-a propus ridicarea cotelor de nivel ale structurii metalice cu 15 mm si s-a ales inlocuirea placilor de compensare cu mortar superfluid de ancoraj, care permite o reglabilitate de nivel mai ridicata. In pozitii in care placa inglobata s-a aflat la o cota inferioara fata de cea proiectata, ridicarea centurii metalice a avut drept consecinta o lungime insuficienta a buloanelor de ancorare. In cazuri in care capatul liber al tijelor filetate s-a dovedit a fi mai scurt, s-a optat pentru sudarea piulitelor de acestea.

Fig. 16: Injectarea rosturilor cu mortar de ancorare

Fig. 17: Fixarea piulitelor prin sudura

Fig. 18: Abateri in executie identificate in urma scanarii 3D

Sistemul de axe neregulat a condus la cateva greseli de executie. Pe parcursul lucrarilor, a fost o provocare marcarea axelor si mentinerea semnelor de marcaj. In unele cazuri, stabilirea pozitiei axelor la nivelele intermediare a esuat, ceea ce a cauzat abateri neasteptate la conectarea scarii de elementele inglobate intre nivele. Fig. 18 prezinta locul samburilor de beton si al placilor inglobate aferente proiectului tehnic (cu albastru) si pozitiile executate obtinute din scanarea LiDAR (rosu).

Distanta dintre peretii casei scarii executate a fost una neuniforma si diferita de cea proiectata. Pentru obtinerea unui plan paralel cu rampa scarii, au fost aplicate table cu grosimi unice, integrate in ansamblul de legatura. Abaterile in dimensiunile golului si ale pieselor inglobate, fata de pozitiile proiectate, au fost de aproape 20 cm, ceea ce a necesitat reproiectarea completa a ansamblelor care conecteaza rampele scarii de placile inglobate din pozitiile identificate pe santier.

3. Configurarea scarii

Casa scarii se afla aproape la mijlocul constructiei. Latimea rampei solicitata pentru calea de evacuare, de cel putin 1 m, a impus o conformare prin care a ramas un spatiu foarte ingust pentru realizarea imbinarilor ascunse intre pereti si rampe. Spatiul de 6-10 cm nu permitea strangerea suruburilor, din cauza lipsei de acces la piulite, de aceea s-a optat a fi sudate pe pozitie, iar asamblarea partilor s-a facut prin accesarea suruburilor numai din exterior.

Structura metalica va ramane aparenta. Proiectul de arhitectura prezinta o scara fara imbinari vizibile. Majoritatea legaturilor sunt ascunse in banda ingusta dintre rampa si perete. Aceasta zona va fi inchisa cu capace din lemn. Pentru a nu obtine un aspect industrial, s-a optat pentru surub M16 de inalta rezistenta cu cap inecat, gaura fiind frezata in jurul suruburilor.

Pentru reducerea numarului imbinarilor prin suruburi si realizarea cordoanelor de sudura mai estetice, majoritatea pieselor se realizeaza in atelier, rezultand ansamble cu gabarit si greutate mai mare. In afara ansamblelor de legatura, cu dimensiuni reduse, fiecare bucata de scara pe un nivel este alcatuita din patru parti: o grinda inclinata ascunsa si cele 3 rampe. Aceste 4 ansamble sunt executate in fabrica. Dimensiunea si greutatea rampelor complica procesul de montaj.

Aspectul sudurilor a fost un factor important in proiectare. Arhitectul, inginerul proiectant al structurii si executantul au avut obiective contradictorii. Din punct de vedere arhitectural, s-a considerat ideala o structura fara suduri vizibile. Balustradele, treptele si contratreptele fiind elemente de rezistenta principale, tipul si grosimea sudurilor s-au stabilit pe criterii de rezistenta. Sudurile de adancime cu prelucrarea suprafetelor au rezistenta adecvata si pot fi ascunse complet, dar cresc durata si costul fabricatiei. Solutia pentru care s-a optat a fost una de compromis, in care majoritatea sudurilor devin ascunse in zonele inchise cu capace din lemn, sau in stratul de adeziv de sub treptele cu finisaje din piatra. In situatiile in care geometria formei nu permitea acest lucru, s-au prevazut suduri cu prelucrare sau suduri de colt finisate prin slefuire.

Fig. 19: Imbinari ascunse, piulite sudate, frezarea gaurilor si suduri ascunse in stratul de adeziv

EXECUTIA STRUCTURII

Figurile urmatoare ilustreaza diferite faze ale executiei. In prezent, sarpanta este finalizata, cladirea este acoperita si se lucreaza la peretii interiori si instalatii. Inca nu s-a ajuns la montajul scarii principale de acces.

Fig. 20: Cofrarea centurii si montarea sistemului de grinzi pentru planseul compozit

Dupa pozitionarea grinzilor metalice si strangerea suruburilor, tabla trapezoidala cu rol de cofraj a fost asezata si fixata temporar. In aceasta faza, acoperirea uniforma cu tabla a avut si rol de a proteja cladirea decopertata. In urmatoarea faza, tabla trapezoidala a fost indepartata numai in zonele unde s-a lucrat la montajul stalpilor si al grinzilor inclinate.

Fig. 21: Acoperire uniforma temporara cu tabla de cofraj

Fig. 22: Montajul structurii metalice a sarpantei

Baza grinzilor cu rol de caprior si a stalpilor s-a inglobat in planseul compozit. Turnarea placii s-a putut efectua numai dupa montarea structurii sarpantei si strangerea finala a suruburilor.

Fig. 23: Turnarea placii compozite

Scheletul metalic a fost acoperit cu o structura secundara din lemn rasinos. Acesta are un rol dual: creste performanta termica si defineste forma finala baroca a sarpantei prin crearea unei pante aditionale.

Fig. 24: Structura metalica acoperita cu lemn

Din motive administrative, scara metalica va fi montata ulterior. Acoperisul peste casa scarii va fi indepartat pe durata operatiunii de montaj. Elementele scarii vor fi ridicate si pozitionate de sus cu ajutorul unei automacarale. Montajul pe pozitia finala si asamblarea scarii se vor realiza de la nivelul inferior spre cele superioare. Dupa sudarea pe pozitie a elementelor de legatura, va fi montata grinda inclinata dintre parter si etaj. Al doilea pas este amplasarea rampei de mijloc, dupa care urmeaza rampa de jos si cea de sus. Procedura se repeta pentru segmentul de etaj-mansarda si etaj-supanta. Dupa terminarea montarii scarii, acoperisul casei scarii va fi remontat in forma sa finala.

Fig. 25: Casa scarii in prezent si grinzile acoperisului montate temporar

CONCLUZII

Reabilitarea cladirii de pe strada Bolyai nr. 11 din Targu Mures a fost un proces complex, care s-a realizat cu succes in urma colaborarii intre echipa de proiectare si cea de executie. Structura existenta veche s-a consolidat si a fost extinsa cu o sarpanta metalica, ceea ce a necesitat colaborare stransa intre proiectantii diferitelor specialitati (cea de zidarie cu cea de structura metalica), coordonata de biroul de arhitectura ca proiectant general.

Sarpanta initiala, baroca, a cladirii istorice a fost refacuta cu ajutorul unei structuri metalice, care s-a dovedit o solutie optima datorita greutatii mai reduse si a facut posibila introducerea unei supante suplimentare in volumetria acoperisului, marind astfel aria utila. Pe langa acoperis, cladirea a fost prevazuta cu o noua scara interioara din otel aparent, avand si rol estetic.

Folosirea mai multor tehnici si materiale de constructie a fost o provocare. Abaterile de executie pentru structuri din zidarie sau din beton armat turnate pe santier permit detalierea ansamblelor metalice doar prin relevare post-executie. Sistemul de referinta bine controlat de reteaua de grinzi metalice asezate peste centura peretilor de zidarie s-a dovedit o solutie foarte buna. Montajul sarpantei cu forma asimetrica si neregulata s-a realizat fara probleme, datorita pozitiilor bine definite de reteaua de grinzi de la baza structurii.

Dimensionarea si detalierea unei astfel de structuri ar fi fost aproape imposibile fara tehnologia avansata utilizata. Scanarile laser au furnizat informatii precise referitoare la geometria existenta si detaliile realizate cu abateri importante pe parcursul lucrarilor. Utilizarea softurilor de tip BIM a permis o colaborare mai eficienta intre diferitele specialitati ale echipei de proiectare, prin raportarea la acelasi model spatial, care contine toate informatiile relevante. Detalierea pe elemente cu orientari aleatorii, fara un sistem de referinta precis, a constituit o dificultate, dar prin stabilirea unui sistem propriu de referinta si detalierea imbinarilor in 3D s-a redus semnificativ probabilitatea erorilor, iar pozitia, orientarea si forma pieselor prin scanari succesive au devenit vizibile pe parcursul realizarii modelului final.

Acest studiu de caz este un bun exemplu pentru a demonstra ca uneori obiectivele diferitelor specialitati sunt contradictorii. Succesul proiectului poate fi realizat prin comunicare, colaborare si identificarea unor solutii de compromis intre partile implicate.

REFERINTE

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

[5] Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului ‒ indicativ CR 1-1-4-2012;

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

[7] CR-0-2012 ‒ cod de proiectare pentru bazele proiectarii structurilor in constructii;

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

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

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

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

[12] ConSteel software user manual – www.consteelsoftware.com;

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

[14] ArcelorMittal Beams Calculator v3.62 – www.arcelormittal.com;

[15] Tekla Structures 2022 user manual – www.tekla.com.

Autori:

Zsolt NAGY, Ors NAGY, Andrea KELEMEN ‒ Universitatea Technica din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii | Gordias SRL

Zoltan KISS, Akos AMBRUS ‒ Mossfern SRL

Cristian-Florin CALIAN ‒ Hoia Metalstruct SRL

(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. 227 – august 2025, pag. 56-61