1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole TEZA DE DOCTORAT CONTRIBUŢII LA PROIECTAREA UNOR SOLUŢII STRUCTURALE ŞI FUNCŢIONALE EFICIENTE PENTRU CLĂDIRI DE BIROURI ETAJATE REZUMAT Doctorand Asist. ing. Ana-Maria STOICA (căs. GHIŢĂ) Conducător de doctorat Prof. univ. emerit dr. ing. Florin Ermil DABIJA BUCUREŞTI 2013
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI
Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole
TEZA DE DOCTORAT
CONTRIBUŢII LA PROIECTAREA
UNOR SOLUŢII STRUCTURALE ŞI
FUNCŢIONALE EFICIENTE PENTRU
CLĂDIRI DE BIROURI ETAJATE
REZUMAT
Doctorand
Asist. ing. Ana-Maria STOICA (căs. GHIŢĂ)
Conducător de doctorat
Prof. univ. emerit dr. ing. Florin Ermil DABIJA
BUCUREŞTI
2013
2
3
CUPRINSUL TEZEI:
CAPITOLUL 1 : Introducere 1 1.1. Tematica tezei
1.2. Date generale despre clădirile de birouri
1.3. Obiectivele tezei
1.4. Problematica abordată în teză
CAPITOLUL 2: Repere definitorii referitoare la stadiul actual şi tendinţe
în proiectarea funcţională a clădirilor etajate de birouri 4 2.1. Scurt istoric al clădirilor de birouri
2.2. Tipuri de clădiri de birouri
2.3. Volumetria clădirilor de birouri şi soluţii de organizare a spaţiului interior
2.4. Tendinţe actuale în construcţia clădirilor de birouri
CAPITOLUL 3: Tipologie şi caracteristici definitorii ale sistemelor
structurale din beton armat utilizate la clădiri civile etajate 8 3.1. Tipologie şi caracteristici definitorii ale sistemelor structurale
3.2. Performanţe potenţiale ale sistemelor structurale în raport cu expunerea la
acţiunea seismică
3.3. Soluţii reprezentative de planşee pentru structurile multietajate din beton armat
3.4. Tipuri de planşee din punct de vedere al rolului de diafragmă orizontală
CAPITOLUL 4: Concepte şi metode moderne în proiectarea structurală a
clădirilor civile etajate situate în zone seismice 11 4.1. Concepte moderne în evaluarea performanţelor structurale ale clădirilor
4.2. Conceptul proiectării capacităţii de rezistenţă
4.3. Proiectarea la acţiunea seismică a structurilor clădirilor etajate pe baza codului
românesc P100-1/2006 şi pe baza altor coduri
CAPITOLUL 5: Studii de caz asupra sistemelor structurale duale în
vederea creşterii nivelului de performanţă la acţiunea seismică 13 5.1. Structuri cu regim mic de înălţime – 5 niveluri
5.2. Structuri cu regim mediu de înălţime - 10 niveluri
5.3. Structuri cu regim mare de înălţime - 15 niveluri
CAPITOLUL 6: Concluzii 24 6.1. Concluzii şi comentarii
6.2. Contribuţii proprii
BIBLIOGRAFIE 26
Cuvinte cheie: clădiri de birouri, flexibilitate funcţională, performanţă structurală, analiză
static neliniară, structuri duale
4
CAPITOLUL 1 : Introducere
1.1. Tematica tezei
Teza de doctorat “Contribuţii la proiectarea unor soluţii funcţionale şi structurale
eficiente pentru clădiri de birouri etajate” îşi propune să studieze din punct de vedere
funcţional şi structural un tip de clădiri de o mare însemnătate din punct de vedere economic,
urbanistic şi social.
Tema tezei este de mare actualitate, având în vedere că doar în Bucureşti spaţiile de
birouri însumau la sfârşitul anului 2012 o suprafaţă de 2,2 milioane mp, iar în 2013 se
estimează că vor mai fi finalizate încă 135000 mp.
Clădirile de birouri prezintă o problematică aparte în domeniul Ingineriei Civile, având
în vedere caracteristicile lor definitorii:
- clădiri etajate, cu regim de înălţime mediu şi mare,
- clădiri cu deschideri mari pentru asigurarea flexibilităţii spaţiului,
- clădiri cu probleme funcţionale speciale pentru a permite reamenajările interioare
periodice
1.2. Date generale despre clădirile de birouri
Clădirile de birouri joacă un rol important în peisajul urban. De la prima clădire de
birouri, apărută în Florenţa în secolul al XVI-lea, şi până în zilele noastre fiecare clădire de
birouri se doreşte a fi o emblemă pentru corporaţia care îşi construieşte sediul, dar şi o
emblemă a oraşului.
În cazul României, clădirile de birouri au cunoscut o dezvoltare mai redusă faţă de
ţările cu putere economică mare. Necesitatea construirii spaţiilor de birouri a crescut în
perioada de înflorire economică şi a scăzut în perioada de recesiune. Regimul de înălţime
curent utilizat al clădirilor de birouri din România este de 10-15 niveluri, iar în cazuri rare
ajunge la 25-30 de niveluri, în timp ce în lume clădirile ajung în mod frecvent la 40-60 de
niveluri, iar în mod excepţional, clădirile ce se doresc cu caracter emblematic ajung până la
80-100 de niveluri.
Seismicitatea ridicată şi deschiderile minime de 6x6m specifice clădirilor de birouri
permit folosirea sistemelor în cadre ca soluţie pentru structură doar pentru regimuri mici de
înălţime (4-5 niveluri). Pentru regimuri mai mari de înălţime, soluţia cea mai eficientă în
acest caz este utilizarea sistemelor structurale duale sau tubulare ce combină posibilitatea
amenajărilor flexibile a spaţiului interior cu rigiditatea mare la acţiunea forţelor laterale.
Funcţiunea clădirii, de birouri, conduce la alegerea sistemului structural prin
dimensiunile spaţiilor libere şi prin necesitatea adaptabilităţii spaţiilor la cerinţele viitoare. De
aceea trebuie create spaţii mari, fără elemente verticale sau cu elemente verticale de
dimensiuni cât mai mici, care să nu conducă la perturbări ale organizării interioare a spaţiilor
de lucru, ceea ce ar însemna o scădere a eficienţei spaţiului.
1.3. Obiectivele tezei
În urma documentărilor realizate şi a analizării problematicii tezei, s-au conturat
următoarele obiective ce trebuie avute în vedere pe parcursul elaborării lucrării:
Sinteză documentară referitoare la soluţii funcţionale şi structurale pentru clădiri de
birouri moderne. Stadiu actual şi tendinţe.
Studiu privind tipologia, caracteristicile şi cerinţele funcţionale specifice clădirilor de
birouri moderne. Implicaţii asupra soluţiilor structurale.
5
Studiu privind tipologia şi performanţele potenţiale ale sistemelor structurale din
beton armat, adecvate cerinţelor funcţionale ale clădirilor de birouri moderne.
Studiu privind tipologia şi performanţele potenţiale ale planşeelor din beton armat,
adecvate cerinţelor funcţionale ale clădirilor de birouri moderne.
Sinteza unor concepte şi abordări moderne referitoare la protecţia seismică a
structurilor clădirilor etajate, reflectată în codurile de proiectare româneşti şi străine.
Studii de caz asupra unor categorii şi tipuri de sisteme structurale din beton armat,
compatibile cu cerinţele clădirilor de birouri moderne. Metodologie, selectarea
parametrilor de proiectare, analiză comparativă a rezultatelor şi a eficienţei potenţiale
a soluţiilor studiate.
Constatări, comentarii şi concluzii.
Clădirile de birouri sunt construcţii complexe, iar pentru a obţine o imagine de
ansamblu asupra problemei a fost necesară o amplă documentare în mai multe domenii:
arhitectură, instalaţii, urbanism şi construcţii.
1.4. Problematica abordată în teză
Lucrarea se desfăşoară pe 7 capitole:
Capitolul 1 se ocupă cu introducerea în problematica tezei şi cu descrierea
cercetărilor şi studiilor realizate.
Capitolul 2 cuprinde o scurtă trecere în revistă a clădirilor de birouri, începând cu
prima apărută în Florenţa renascentistă şi terminând cu evoluţia clădirilor de birouri din
secolul XX de la tipul “open-space” şi până la “clădirile inteligente” cu tehnologie
încorporată şi cu flexibilitate maximă a compartimentărilor şi a dotărilor cu instalaţii. În acest
capitol se realizează şi o clasificare a clădirilor de birouri, se analizează volumetria clădirilor
de birouri şi soluţiile adoptate în prezent pentru compartimentările interioare.
Capitolul 3 este o documentare în domeniul sistemelor structurale din beton
armat şi a soluţiilor de planşee utilizate pentru clădirile de birouri.
Capitolul 4 cuprinde o descriere a conceptelor moderne în evaluarea
performanţelor structurale ale clădirilor la acţiuni seismice, o prezentare a nivelurilor de
performanţă, o prezentare a conceptului proiectării capacităţii de rezistenţă şi o descriere
comparativă a mai multor coduri de proiectare seismică, printre care Codul P100/1-2006,
Eurocode-ul 8 şi California Building Code.
Capitolul 5 este cel mai amplu al tezei şi prezintă descrieri ale structurilor supuse
analizei în studiul de caz şi ale metodelor folosite, prezentarea rezultatelor şi concluziile ce s-
au evidenţiat. Sistemele structurale analizate au avut 3 regimuri de înălţime, de 5, 10 şi 15
niveluri, apreciate ca fiind frecvente pe teritoriul ţării noastre. Pentru acelaşi partiu au fost
adoptate mai multe structuri, în vederea evidenţierii avantajele şi dezavantajele diverselor
soluţii: structuri în cadre, structuri în cadre tip tub în tub, structuri duale cu nucleu central
pentru circulaţie, cu două nuclee la extremităţi sau fără nucleu din pereţi structurali, dar cu
pereţii dispuşi în alte poziţii convenabile pentru destinaţia clădirii. În analiza structurilor au
fost folosite două metode: metoda forţelor statice echivalente şi metoda calculului static
neliniar (pushover).
Capitolul 6 este partea din teză destinată concluziilor şi comentariilor ce au
rezultat în urma studiului de caz şi a documentărilor realizate şi direcţiilor pentru continuarea
cercetărilor şi metode de valorificare a rezultatelor obţinute.
Capitolul 7 este o listă a documentelor şi lucrărilor studiate.
Principalele etape ce au fost avute în vedere la elaborarea tezei pot fi ilustrate în
schema următoare:
6
FUNCTIUNE (CAPITOLUL 1)
CERINTE PROCES FUNCTIONAL MODERN
ORGANIZARE SPATIU
(CAPITOLUL 2)
PARTIU
UNITATI FUNCTIONALE
SPATII CIRCULATII
COMPARTIMENTARI
INCHIDERI
PROTECTIE LA FOC
CONFORT AMBIENTAL
(ACUSTIC, VIZUAL, TERMIC)
UTILITATI, SERVICII
RETELE, ECHIPAMENTE
REGIM DE INALTIME
SISTEM STRUCTURAL
(CAPITOLUL 3, 4)
CARACTERISTICI STRUCTURA
DESCHIDERI/ TRAVEI
MATERIALE
AMPLASARE ELEMENTE VERTICALE
PLANSEE
CERINTE SPECIFICE
REZISTENTA
RIGIDITATE
DUCTILITATE
STUDII DE CAZ (CAPITOLUL 5)
METODOLOGIE
PARAMETRII
ANALIZA STRUCTURALA
REZULTATE
PERFORMANTE/ EFICIENTA
COMPARATII
CONCLUZII
7
CAPITOLUL 2: Repere definitorii referitoare la
stadiul actual şi tendinţe în proiectarea funcţională a clădirilor
etajate de birouri
2.1. Scurt istoric al clădirilor de birouri
Istoria spaţiilor dedicate unui anumit tip de activităţi ce necesită un spaţiu închis, de
activitate izolată, un spaţiu de concentrare unde nu se desfăşoară activităţi fizice, începe încă
din antichitate când fiecare palat său templu avea încăperi în care existau oameni ce scriau
legi, decrete, scrisori, ţineau diverse cronici ale timpurilor sau ţineau evidenţa bunurilor.
Pe măsură ce zonele urbane s-au dezvoltat, a apărut necesitatea creării unor spaţii
administrative ale oraşului. Printre primele clădiri exclusiv de birouri se numără “Galeria
degli Uffizi” din Florenţa, construită în secolul al XVI-lea. Clădirea a fost concepută special
pentru a adăposti activităţile administrative, tribunalul şi birourile magistraţilor, la cererea
conducerii Florenţei.
Clădirile de birouri, în sensul de astăzi, au început să apară în timpul revoluţiei
industriale, secolele XVIII-XIX, când numeroase bănci, firme de asigurări, de transporturi au
avut nevoie de spaţii mari pentru evidenţe contabile, pentru tranzacţiile comerciale, pentru
elaborarea şi păstrarea documentelor şi au început să îşi construiască sau să îşi amenajeze
propriile sedii de firme.
De la începutul secolului XIX şi până în prezent s-au dezvoltat 3 tipuri de clădiri de
birouri:
Clădirile pentru schimburi comerciale sau servicii ce beneficiau de un spaţiu
liber amplu la parter, pentru public, eventual desfăşurat pe mai multe niveluri şi înconjurat la
etaje de galerii de birouri individuale sau pentru grupuri mici de persoane, spre exemplu
Palatul CEC de pe Calea Victoriei:
Fig. 1 - Interiorul Palatului CEC – Calea Victoriei,
Bucureşti - fotografie preluată de pe
www.comunicatemedia.ro
Sediile marilor companii (corporatiste) au început să fie construite în America
la debutul secolului XX când marile societăţi comerciale sau de asigurări au angajat arhitecţi
cu renume şi au cumpărat terenuri în zone cu amplasament favorabil pentru ca imobilele să
fie reprezentative pentru imaginea firmei. Tot de atunci datează şi primele clădiri de birouri
în concepţia “open-space”.
Clădirile cu birouri de închiriat datează de asemenea de la începutul secolului
XX şi au apărut prima dată tot în America. O clădire reprezentativă pentru acea perioadă,
construită în anii 1930-1931, cu scopul de a oferi spre închiriere spaţii de birouri este Empire
State Building din New York.
8
Fig. 2 - Empire State Building din New York - fotografie
preluata de pe en.wikipedia.org
În România, din secolul XIX şi până în 1990, s-au construit mai multe clădiri
reprezentative de birouri, printre care Palatul CEC, Palatul Ministerului Lucrărilor Publice (în
prezent Primăria Capitalei), Palatul Telefoanelor, Palatul Universul, Palatul CFR (în prezent
sediul Ministerului Transporturilor), Palatul Monopolurilor de Stat, sediul actual al
Televiziunii Române din Calea Dorobanţilor, etc.
După 1990 mediul de afaceri din România s-a dezvoltat şi a apărut necesitatea creări
unor noi spaţii de birouri. Majoritatea clădirilor de birouri ce au apărut în această perioadă au
fost clădiri ale unor dezvoltatori imobiliari ce au construit spaţii de închiriat. Printre primele
astfel de clădiri se numără Opera Center finalizată în anul 2000 şi Europe House din 2002.
Fig. 3 – Opera Center (stânga) şi Europe House (dreapta), Bucureşti
Un număr mare de clădiri de birouri au fost construite din anul 2000 şi până în
prezent, în special în Bucureşti, iar ultima realizare importantă în acest domeniu este clădirea
Sky Tower. Aceasta este situată în Bucureşti, pe B-dul Barbu Văcărescu, cu o înălţime de
137m, regim de înălţime 5S+P+36E, cu o suprafaţă construită de peste 50000mp. Clădirea
are în plan o formă eliptică, a fost inaugurată în 2013 şi beneficiază de toate dotările moderne
existente în prezent: lifturi de mare viteză, control automat al climatizării în toate încăperile,
geamuri cu control automat al luminii, toate birourile beneficiază de lumină naturală,
înălţimea liberă de 3.00m, pardoseli false, flexibilitate maximă a compartimentării interioare
– la fiecare 3.20m.
9
Fig. 4 – Sky Tower, Bucuresti
2.2. Tipuri de clădiri de birouri
Clădirile de birouri se pot clasifica în funcţie de diferite criterii, cele mai importante
fiind enumerate în continuare:
- În funcţie de amplasament
- În funcţie de statutul clădirii
- În funcţie de specificul activităţilor desfăşurate în clădire
- În funcţie de relaţia clădirii cu trecutul/viitorul
- În funcţie de tehnologizarea clădirii
- În funcţie de calitatea serviciilor pe care le oferă clădirea
2.3. Volumetria clădirilor de birouri şi soluţii de organizare a spaţiului
interior
Volumetria unei clădiri trebuie să ţină cont de faptul că durata ei de viaţă este de
aproximativ 50 de ani, cu reparaţii capitale după cca 25 de ani şi cu schimbarea designului
interior la 5-7 ani.
Volumetria clădirii este rezultatul îmbinării factorilor externi şi criteriilor de
proiectare interioară:
- Factorii externi impun forma clădirii prin forma terenului, prin gradul de
ocupare al terenului impus prin Planul de Urbanism, prin regimul de înălţime
maxim impus şi prin obligativitatea creării spaţiilor de acces pentru pompieri.
Învecinarea cu alte clădiri va determina de asemenea şi gradul de umbrire şi
posibilitatea iluminării naturale a spaţiilor.
- Proiectarea interioară a clădirii se face în funcţie de spaţiul necesar din punct
de vedere funcţional şi de intenţiile de viitor ale investitorului.
Spaţiul interior se organizează în funcţie de tramele clădirii. Într-o clădire de birouri
există de obicei 4 tipuri de trame suprapuse: tramă structurală, tramă constructivă, tramă de
instalaţii şi tramă de amenajare interioară.
Amenajarea interioară a spaţiilor de birouri poate fi făcută în câteva moduri
devenite clasice:
- organizarea celulară închisă, alcătuită din încăperi pentru 1 sau 2-4 persoane, înşiruite
pe un coridor; aceste încăperi sunt propice pentru activităţi de conducere şi
10
management deoarece oferă condiţii de confidenţialitate, primire şi recepţie a altor
persoane, concentrare;
Fig. 5 – Organizare celulară inchisă a spaţiilor de birouri
- organizare celulară inchisă, de grup, alcatuită din incăperi pentru 5-15
persoane ce lucrează impreună;
Fig. 6 – Organizare celulară inchisă de grup a spaţiilor de birouri
- spaţiu deschis de birouri, adecvat muncii repetitive şi unei diviziuni stricte a
muncii ce permite circulaţia rapidă a documentelor şi un control eficient.
Fig. 7 – Spaţiu deschis de birouri
În ultima perioadă volumetria nu mai ţine cont doar de spaţiul alocat fiecărui angajat,
ci şi de spaţiile anexe necesare şi obligatorii în prezent, cum ar fi spaţii pentru copiatoare,
servere, plottere, imprimante, săli de conferinţe diversificate, săli echipate multimedia, zone
cu diverse dotări, gen automate, cafenele, fast-food-uri, săli de fitness, etc.
Atunci când este gândită volumetria unei construcţii trebuie de asemenea avute în
vedere reguli de securitate în caz de incendiu. Din acest punct de vedere clădirile se împart
în:
- clădiri înalte, având pardoseala ultimului nivel folosibil situată la peste 28 m faţă de terenul
(carosabilul adiacent) accesibil autovehiculelor de intervenţie ale pompierilor
- clădiri foarte înalte, cu planşeul ultimului nivel folosibil situat la mai mult de 45m faţă de
nivelul solului.
11
Clădirile înalte şi foarte înalte trebuie să aibă cel puţin două căi de evacuare,
independente una faţă de cealaltă, poziţionate astfel încât distanţă maximă de la locul de lucru
la scara de evacuare să fie 30m, iar scara să poată fi izolată ca să se împiedice propagarea
incendiului.
Un alt criteriu ce influenţează volumetria este înălţimea liberă între planşee, ce trebuie
raţional aleasă astfel încât să permită poziţionarea tuturor traseelor de instalaţii, ce trebuie
prevăzute în proiect în detaliu.
Pentru o echipare minimă cu instalaţii, se foloseşte o înălţime de nivel de 3.00-3.10m,
iar pentru clădirile cu birouri mari, tip “open-space”, la care înălţimea liberă sub plafonul fals
este de 3.00m, înălţimea de nivel trebuie să fie aproximativ 4.20m. La aceste clădiri, din
cauza traseelor de instalaţii de ventilaţie complexe, care se intersectează, înălţimea necesară
pentru instalaţii este 80-100cm.
Fig. 8 – Alegerea înălţimii de nivel în funcţie de sistemele de instalaţii
2.4. Tendinţe actuale în construcţia clădirilor de birouri
Cele mai recente clădiri de birouri sunt construite sub forma clădirilor
“inteligente”, adică imobile precablate în care noile firme ce îşi schimbă sediul se pot muta
imediat ce construcţia a fost terminată şi dată în folosinţă deoarece dispun imediat de
conectare la reţele de comunicaţii performante.
Pentru astfel de clădiri sunt foarte importante atât dotările cu instalaţii de toate
categoriile cât şi abilitatea arhitectului de a gândi spaţiul suficient de flexibil astfel încât să
permită adaptarea lui pentru orice tip de activitate.
Cheia clădirilor inteligente este combinaţia între flexibilitate, rentabilitate,
mentenanţă, productivitate, securitate şi convivialitate.
CAPITOLUL 3: Tipologie şi caracteristici definitorii ale
sistemelor structurale din beton armat utilizate la
clădiri civile etajate
3.1. Tipologie şi caracteristici definitorii ale sistemelor structurale
Alegerea sistemului structural pentru clădirile civile etajate este influenţată într-o
foarte mare măsură de configuraţia clădirii şi de funcţionalitatea acesteia. Acest lucru
înseamnă că la alegerea sistemului structural contribuie atât inginerul de structură cât şi
arhitectul, având în vedere rezistenţa la foc, deschiderile, dimensiunile elementelor
12
structurale, încărcările, costul total al construcţiei, durata de execuţie şi costurile de
întreţinere pe durata de viaţă a construcţiei.
Betonul armat este în prezent materialul cel mai des folosit pentru realizarea
structurilor clădirilor civile. Cele mai folosite sisteme structurale din beton armat pentru
clădirile multietajate sunt:
- sisteme structurale în cadre
- sisteme structurale cu pereţi
- sisteme structurale duale
- sisteme structurale tubulare
3.3. Soluţii reprezentative de planşee pentru structurile multietajate din
beton armat
Planşeele sunt acele elemente ale unei clădiri ce au rol funcţional de compartimentare
între nivele şi de închidere la partea inferioară şi superioară şi rol structural de a prelua
încărcările verticale şi orizontale şi de a le transmite elementelor structurale verticale.
Planşeele au rolul de a uni şi rigidiza aceste elemente verticale şi de a le ajuta să conlucreze,
astfel încât să rezulte o structură unitară.
În prezent clădirile multietajate cu destinaţie de birouri au nevoie de o adaptabilitate
funcţională foarte mare, iar planşeele contribuie la aceasta prin deschiderile mari, corelate cu
structura verticală, precum şi prin configuraţia intradosului acestora.
Pentru clădirile cu structură din beton armat soluţiile cele mai utilizate de planşee sunt
din beton armat turnat monolit, în diverse configuraţii şi scheme statice sau din beton armat
integral sau parţial prefabricat.
Planşeele din beton armat turnate monolit prezintă avantajul unei mari
adaptabilităţi în ceea ce priveşte forma, în sensul că se pot folosi indiferent de forma clădirii,
atât pentru structuri cu forma apropiată de dreptunghi, dar şi pentru structuri cu forme curbe
sau poligonale ce urmăresc forma terenului.
Cele mai utilizate soluţii de planşee pentru clădirile de birouri sunt:
- Plăci rezemate pe pereţi sau grinzi
- Plăci rezemate pe grinzi late de beton dispuse pe direcţia transversală, ce se pot
folosi pentru deschideri de 6-12m, înălţimea grinzilor este relativ mică, ceea ce permite o
înălţime mai mică de nivel, o cofrare mai uşoară şi trecerea mai uşoară a traseelor de instalaţii
pe sub ele.
Fig. 10 - Planşeu din beton armat turnat monolit cu plăcile rezemate pe grinzi late, dispuse pe
o singură direcţie
13
- planşeul cu nervuri dese pe o direcţie
- planşeul cu nervuri dese pe două direcţii - planşeul dală groasă şi planşeul ciupercă este soluţia cea mai simplă de planşeu,
ce necesită manoperă scăzută pentru cofraj, oferă o mare flexibilitate şi adaptabilitate
spaţiului construit, ajută la scăderea înălţimilor de nivel, ceea ce reduce costurile construcţiei
şi nu influenţează în nici un fel traseele instalaţiilor.
O soluţie utilă atât pentru planşeele dală cât şi pentru planşeele ciupercă, mai puţin
folosită în România, dar frecvenţa în alte ţări, este post-tensionarea armăturii din planşeele
turnate monolit. Un astfel de planşeu ar putea avea deschiderile mai mari, putând astfel creşte
deschiderea plăcii până la 12m, oferind în acelaşi timp economie prin secţiunile mai reduse,
dar şi performanţe superioare în ceea ce priveşte deformabilitatea.
Post-tensionarea este o metodă de a introduce în elementul de beton armat turnat
monolit o forţă de compresiune prin intermediul barelor de armătură ce sunt tensionate cu
ajutorul dispozitivelor de ancoraj de la capete. Această post-intindere este realizată după ce
betonul a fost pus în operă şi s-a întărit, dar înainte ca acesta să fie încărcat la capacitatea
maximă la care a fost calculat. Avantajul major al acestei metode este că se pot realiza
planşee cu deschideri mai mari şi/sau cu grosime mai mică şi cu deschideri mai mici ale
fisurilor. Dezavantajul major al metodei constă în faptul că necesită manoperă foarte
calificată, utilaje şi dispozitive speciale şi bare de armătură de înaltă rezistenţă, speciale, care
nu sunt frecvent utilizate pe piaţa construcţiilor din România.
Planşeele din beton armat prefabricate au cunoscut o largă răspândire în toată
lumea, inclusiv în România, oferind o gamă largă de avantaje legate de realizarea lor în
fabrici speciale, de rapiditatea de execuţie şi de eficienţa economică.
Pentru planşeele cu deschideri mari se utilizează în general elemente prefabricate
realizate din beton precomprimat, cum ar fi:
- Fâşii cu goluri
- Elemente prefabricate precomprimate, de formă “T” sau “Π” (dublu “T”).
Comportarea planşeului realizat din fâşii cu goluri sau elemente de formă “T” său
“dublu T” este deficitară din punct de vedere al formării “diafragmei rigide” în plan orizontal,
necesară în cazul clădirilor situate în zone seismice. Pentru îmbunătăţirea acestor
inconveniente, soluţia des utilizată este de a se turna monolit pe toată suprafaţa planşeului un
strat de beton armat ce poate realiza continuitatea pe reazeme şi grinzi perimetrale, cu
armături continue pentru a prelua eforturile de încovoiere în planul diafragmei. Stratul de
suprabetonare ajută şi la o îmbunătăţire a comportării planşeului la acţiunea focului.
Planşeele parţial prefabricate cel mai des utilizate sunt:
- Predala cu suprabetonare
- Nervuri prefabricate precomprimate şi placă turnată monolit
3.4. Tipuri de planşee din punct de vedere al rolului de diafragmă
orizontală
În general, calculele structurale pleacă de la ipoteza simplificatoare că planşeele
lucrează ca nişte diafragme rigide în planul lor (“şaibe rigide”) şi că în acest mod ele leagă
toate elementele verticale cu rol în preluarea forţelor laterale, astfel încât să lucreze ca o
singură entitate, şi le impun deplasări egale. În acest fel forţele laterale sunt preluate de
planşee şi distribuite elementelor structurale verticale în mod proporţional cu rigiditatea lor.
În consecinţă, putem considera că o diafragmă este rigidă dacă este capabilă să
distribuie forţele seismice la elementele structurale verticale în mod proporţional cu
rigiditatea acestora.
14
O diafragmă este considerată flexibilă dacă nu este capabilă să transfere elementelor
structurale verticale forţele seismice în mod proporţional cu rigiditatea lor. Altfel spus, o
diafragmă flexibilă va avea o deformaţie datorată forţelor laterale la mijlocul deschiderii mai
mare decât media deformaţiilor la capetele deschiderii, atunci când este modelată ca o grindă
rezemată pe elementele verticale şi este încărcată cu forţele seismice. În cazul diafragmelor
flexibile deformaţiile planşeului în planul lui sunt comparabil mai mari decât deformaţiile
elementelor verticale.
Diafragmele flexibile se comportă ca nişte grinzi ce leagă elementele verticale şi vor
distribui forţele laterale în mod proporţional cu aria de planşeu aferentă fiecărui element
vertical cu rol în preluarea forţelor orizontale.
Fig. 16 - Schema de comportare a diafragmei flexibile
În mod normal nici un planşeu nu poate fi considerat perfect rigid său perfect flexibil
în planul lui. Diafragmele semi-rigide se referă la diafragmele a căror deformaţie datorată
forţelor seismice este comparabilă cu deformaţia elementelor verticale. Calculul structural
pentru cazurile în care planşeul se comportă ca o diafragmă semi-rigidă este mai complex şi
trebuie să ia în calcul toate rigidităţile, inclusiv ale planşeului în planul lui.
CAPITOLUL 4: Concepte şi metode moderne în proiectarea
structurală a clădirilor civile etajate situate în zone seismice
4.1. Concepte moderne în evaluarea performanţelor structurale ale
clădirilor
Cele mai multe coduri seismice, din diverse colţuri ale lumii, precizează două criterii
fundamentale de performanţă pentru structuri:
Fără colapsul structurii supuse unei acţiuni seismice de cod
Limitarea degradărilor elementelor structurale supuse unui cutremur cu o probabilitate
mai mare de a se produce decât cel de cod
Termenii de colaps şi de limitarea degradărilor sunt de obicei corelaţi cu termenii de Stare
limită ultimă ULS şi de stare limită de serviciu SLS.
15
Pentru a realiza o cuantificare a performanţelor seismice ale unei structuri este necesar
să se exprime în mod cantitativ mărimea degradării acesteia la un cutremur şi să fie
comparată cu o valoare maximă a degradării pe care structură este capabilă să o suporte.
Cele mai des folosite mărimi sunt deplasările orizontale de nivel şi deplasările relative
de nivel între două niveluri adiacente. Acestea sunt în general folosite că indici globali de
degradare. Pentru caracterizarea degradărilor locale sunt folosite în general deplasări ca
rotirile şi curburile.
Performanţele seismice ale structurilor descriu comportarea unei clădiri ce este
acţionată de un seism de o anumită intensitate. Performanţele seismice sunt corelate cu
degradările atât structurale cât şi nestructurale, suferite de o clădire expusă unui seism.
Fiecare nivel de performanţă seismică exprimă o stare de degradare limită.
În general aceste niveluri de performanţă pot fi cuantificate prin mărimea
deplasărilor laterale generate de forţele seismice. Curba forţă-deplasare arată stadiile de
comportare ale structurilor corespunzătoare diverselor mărimi ale forţelor laterale. Câteva
puncte ale acestor curbe sunt reprezentative pentru descrierea performanţelor seismice ale
clădirii.
Pentru fiecare intensitate seismică este acceptată o anumită extindere a avariilor,
luând în calcul diverşi factori: de folosinţă şi ocupare a clădirii, costurile totale de construcţie,
costurile de reparaţii şi întreţinere, costurile de reparaţie, consolidare şi reabilitare post-
seismică.
Conform unui document intitulat “Proiectarea seismică a clădirilor bazată pe
performanţă” al Asociaţiei inginerilor de structuri din California (SEAOC) trebuie realizate 4
nivele ale standardelor de performanţă:
- Complet operaţional, caz în care structura trebuie să lucreze doar în domeniul
elastic şi sunt aşteptate doar degradări minore, iar clădirea şi echipamentele aferente pot fi
utilizate imediat, în întregime, la capacitate normală, în condiţii de siguranţă. Acest nivel de
performanţă trebuie atins pentru cutremure cu probabilitate de depăşire de 50% în 30 de ani,
adică având un interval mediu de recurenţă de 43 ani.
- Operaţional, când apar avarii moderate la elemente nestructurale şi degradări
uşoare ale elementelor structurale. După cutremur clădirea poate fi utilizată, dar sunt necesare
câteva reparaţii înainte de a fi dată complet în folosinţă. Acest nivel de performanţă
corespunde unui nivel al intensităţii seismice cu perioada medie de revenire de 72 ani, adică
probabilitate de depăşire de 50% în 50 ani.
- Evitarea pierderii de vieţi omeneşti, când este posibil să apară avarii moderate ale
elementelor structurale şi nestructurale, rigiditatea structurii la acţiuni laterale şi capacitatea
de rezistenţă sunt reduse, dar încă mai există rezerve de rezistenţa până la atingerea
colapsului. Funcţionalitatea post-seismică a clădirii este nesigură. Aceste performanţe ale
clădirii trebuie atinse chiar şi în cazul cutremurelor rare, cu perioada medie de revenire de
475 ani, adică cu probabilitate de depăşire de 10% în 50 ani.
- Aproape de colaps, este performanţa ce trebuie să o îndeplinească o structură
acţionată de un cutremur extrem de rar şi care va suferi avarii severe şi îşi va reduce drastic
rezistenţa la şocuri seismice ulterioare. Utilizarea post-seismică a clădirii este imposibilă.
Decizia de consolidare şi reabilitare se poate lua doar în urma unei analize tehnice şi
economice. Aceste cutremure extrem de rare se pot întâmpla cu o perioadă medie de revenire
de 970 de ani, adică au o probabilitate de depăşire de 10% în 100 ani.
În concluzie, noua generaţie de coduri de proiectare seismică trebuie să aibă în vedere
nu doar siguranţa vieţii, ci şi minimizarea costurilor de reparaţii ce rezultă în urma avarierii
clădirilor ca efect al unor cutremure severe, dar nu excesiv de intense.
16
CAPITOLUL 5: Studii de caz asupra sistemelor structurale duale
în vederea creşterii nivelului de performanţă la acţiunea seismică
5.1. Structuri cu regim mic de înălţime – 5 niveluri
Studiul de caz a fost realizat pentru o singură categorie funcţională, respectiv pentru
clădirile de birouri. Prin alegerea partiurilor, s-a încercat obţinerea unor spaţii cu deschideri
generoase şi care să ofere posibilitatea de amenajare a spaţiului interior în cât mai multe
moduri, având în vedere că transformările spaţiului într-o clădire de birouri au loc ritmic. Fie
că este o clădire de birouri cu spaţii de închiriat sau sediul unei firme, o clădire de birouri
trebuie să fie adaptabilă la schimbările viitoare, atât ale utilizatorilor cât şi ale tehnologiei,
mijloacelor de lucru şi mijloacelor de operare.
Din acest motiv studiul de caz se bazează pe structuri dezvoltate pe un plan de
arhitectură cu trama de 6.00x9.00m şi respectiv 6.00x6.00m în zonele interioare clădirii.
Lungimea totală a clădirii este de 54.00m interax şi lăţimea de 30.00m. Înălţimea unui nivel
este de 3.50m, asigurând spaţiul necesar pentru trecerea conductelor de ventilaţie, climatizare
şi cabluri electrice şi de date şi montarea unui tavan fals pentru mascarea acestora.
Poziţia zonei de circulaţie pe verticală a clădirii poate fi centrală, eventual dublă sau
cu 2 zone de circulaţie la extremităţile clădirii. Acest nod poate conţine lifturile, case de
troliu, scările, zona grupurilor sanitare, spaţii de curăţenie diverse şi spaţii suplimentare ca
oficii.
Fig. 5.1 – Modalităţi de compartimentare a nodului de circulaţie pe verticală
Pentru regimul de înălţime de 5 niveluri au fost folosite structurile în cadre de
beton armat monolit.
Structura A1 are stâlpi centrali, stâlpi marginali şi de colţ de 80x80cm, grinzi
longitudinale (cu deschiderea de 6.00m) de 30x60cm şi grinzi transversale (cu deschiderea de
9.00m) de 30x75cm. Planşeul din beton armat monolit a fost împărţit prin grinzi secundare de
25x50cm în ochiuri de placă de 3.00x3.00m. În felul acesta grosimea plăcii a fost
dimensionată la 12cm.
17
Fig. 5.2 – Plan structura
A1 – 5 niveluri
Structura A2 a rămas identică cu structura A1, cu excepţia stâlpilor marginali care au
fost îndesiţi, dispuşi la 3.00m interax, în ideea formării unui tub exterior, păstrând la interior
tramele de 6.00x6.00m, respectiv 6.00x9.00m.
Fig. 5.8 – Plan structura A2
– 5 niveluri
Amplasarea structurilor s-a făcut în zona oraşului Bucureşti, caracterizată printr-o
acceleraţie a terenului pentru proiectare ag=0.24g, pentru evenimente seismice având
intervalul mediu de recurenţă de 100 ani, conform Codului de proiectare seismică P100-
1/2006. Clădirea de birouri a fost încadrată în clasa a II-a de importanţă, cu valoarea γI=1.2
pentru factorul de importanţă.
Materialele folosite pentru realizarea structurilor sunt utilizate în mod curent pentru
acest tip de structuri, betonul considerat fiind C35/45, iar armătura de tip PC52.
Condiţia de limitare a deplasărilor a fost cea care a impus dimensiunile secţiunilor de
beton şi nu eforturile în aceste elemente. Astfel au fost calculate dimensiunile stâlpilor şi
pentru structura A1au rezultat de 80x80cm, iar pentru structura A2 au rezultat de 60x60cm.
Se observă astfel că structura cu stâlpii îndesiţi pe contur se comportă mai bine din punct de
vedere al rigidităţii.
Structurile A1 şi A2 au fost dimensionate în urma calculului static elastic, folosind
metoda forţelor echivalente, utilizând eforturile obţinute în programul ETABS. Pe baza
dimensiunilor obţinute, s-a realizat un calcul static neliniar de tip Pushover cu programul de
18
calcul SAP2000 V15. Structură a fost încărcată cu un spectru de acceleraţie, corespunzător
zonei Bucureşti, cu acceleraţia seismică ag=0.24g şi perioada de colţ Tc=1.6sec.
Pentru beton şi pentru armătură au fost descrise legile de comportare neliniară
conform SR EN 1992-1-1/2004.
Fig. 18 – Legile de comportare neliniară pentru beton (stânga) şi pentru armătură (dreapta)
Din calculul neliniar rezultă o diagramă forţă-deplasare, căreia i se poate asocia o
ordine de apariţie a articulaţiilor plastice în grinzi şi stâlpi, precum şi o valoare a eforturilor şi
a rotirilor în articulaţiile plastice respective.
Fig. 19 – Diagrama de forţă tăietoare de bază-deplasare relativă de nivel pt. A1
Fig. 20 – Diagrama de forţă tăietoare de bază-deplasare relativă de nivel pt. A2
0
5000
10000
15000
20000
25000
0.00 10.00 20.00 30.00
DEPLASAREA RELATIVA (‰)
FORTA TAIETOAREDE BAZA (kNm)
METODAFORTELORSTATICEECHIVALENTE
0
5000
10000
15000
20000
25000
0.00 10.00 20.00 30.00
DEPLASAREA RELATIVA (‰)
FORTA TAIETOAREDE BAZA (kNm)
METODAFORTELOR STATICEECHIVALENTE
19
În urma calculului static neliniar se poate determina valoarea raportului αu/α1 folosit
în evaluarea factorului de comportare pentru acţiuni seismice orizontale q ce intră în expresia
forţei seismice statice echivalente. Acest raport este definit că raportul între forţă laterală
capabilă a structurii, corespunzătoare formării unui număr suficient de mare de articulaţii
plastice, care să aducă structura în pragul situaţiei de mecanism cinematic, şi forţă laterală