Metal
Content
Universitatea Tehnica “Gh. Asachi” Iasi Facultatea de Constructii si Instalatii
STRUCTURI SPATIALE RETICULATE
Student: COZMESCU IONEL Master: AN I Specializarea: MANAGEMENT SI TEHNOLOGII SPECIALE IN CONSTRUCTII
COZMESCU IONEL MTSC
STRUCTURI SPATIALE RETICULATE
1. GENERALITATI Structurile spaţiale sunt sisteme constructive moderne utilizate la acoperirea suprafeţelor cu deschideri libere mari pe ambele direcţii (fără rezemări intermediare), ce caracterizează construcţiile destinate adăpostirii aglomerărilor mari de oameni. Ele sun traţionale din punct de vedere structural, al consumurilor specifice, execuţiei, costurilor pentru întreţinere şi se pretează la modernizări / extinderi ale construcţiilor în a căror componenţă se află. O structură spaţială poate fi definită ca fiind un ansamblu tridimensional de elemente structurale capabile să preia încărcări ce pot fi aplicate în orice punct, înclinate cu orice unghi în raport cu suprafaţa structurii şi acţionând în orice direcţie.Structurile spaţiale pot fi realizate din elemente uzinate simple, adesea de formă şi dimensiuni obişnuite, care sunt produse în unităţi de confecţii metalice asamblate uşor şirapid pe şantier. Structurile spaţiale reticulate planare sunt sisteme de bare drepte având extremităţile (noduri) situate în două sau mai multe plane paralele care constituie feţele structurii. Structurile spaţiale reticulate planare au o conformare regulată caracterizată prin repetarea de un număr mare de ori a unui element constituent (modul): bară,subansamblu plan sau spaţial, (de obicei piramidal).Dimensiunile modulului sunt dictate de mai mulţi factori: deschidere, încărcări,sistemul de învelitoare, tipul de nod, aspectul arhitectural, posibilităţile de transport,tehnologii de execuţie. Modul de dispunere a barelor şi condiţiile de rezemare trebuie să fie astfel încât să asigure indeformabilitatea geometrică a structurii.Carelajul fiecărei feţe poate fi deformabil sau indeformabil. Indeformabilitatea geometrică a întregii structuri este asigurată de diagonale şi de condiţiile de contur. Barele structurii sunt supuse, în principal, la eforturi axiale, influenţa momentelor încovoietoare şi de torsiune fiind nesemnificativă chiar în cazul sistemelor îmbinate rigid. Structurile reticulate prezinta urmatoarele avantaje tehnice si constructive : a. Estetica excelenta, compozitii sigure care pot sa satisfaca orice fel de cerinte arhitecturale; b. Posibilitati nelimitate in ceea ce priveste geometria constructiei, fara restrictii in realizarea oricaror forme; c. Structurile reticulate sunt produse industrializate cu un cost de transport scazut; d. Asamblare usoara, care nu necesita personal cu calificare inalta;
2
COZMESCU IONEL MTSC e. Rigiditate mare, facand din structurile reticulate structuri ideale pentru deschideri largi, fara suporti intermediari; f. Relatie excelenta intre greutatea proprie si sarcinile preluate. Avantajele mentionate mai sus fac ca structurile reticulate sa acopere o gama larga de utilizari cum ar fii : Constructii cu deschideri mari . Centre comerciale care cer o estetica superioara . Sali polivalente Standuri pentru targuri/expozitii, care necesita o instalare si o demontare usoare si rapida .
2. GEOMETRIE Din punct de vedere geometric, o structura reticulata este alcatuita din doua grilaje plane, paralele intre ele, care formeaza stratul superior si inferior a structurii. Distanta dintre centrele nodulului (sferei) grilajului este modulul – „a” al constructiei. Aceste doua grilaje plane sunt legate una cu cealalta prin folosirea barelor diagonale. Sarcinile exterioare sunt distribuite intre cele doua straturi paralele si barele diagonale cere le unesc. Distanta dintre cele doua grilaje plane se numeste inaltime structurala – „h”- a structurii spatiale. Aceasta inaltime depinde de tipul de structura spatiala construita. 2.1 Tipuri de structuri spatiale 2.1.1 Patrat „A”– ½ O+T Cele doua grilaje plane (stratul superior si cel inferior) sun formate prin repetarea patratului de baza cu latura „a” – modul – si sunt conectate prin bare diagonale. Elementele grilajelor plane si diagonalele formeaza triunghiuri echivalente, formand astfel semioctaedre si tetraedre. In aceste caz, inaltimea structurala – h - este h = 0.707a iar barele au aceeasi lungime „a”. Unghiul dintre bara diagonala si bara stratului superior si a celui inferior este de 60 grade. Acest tip de structura spatiala este folosita in majoritatea constructiilor noastre, datorita faptului ca este mai economica.
3
COZMESCU IONEL MTSC
2.1.2 Patrat „B”– 1/ O+T Acest tip de structura spatiala se formeaza in acelasi fel cu tipul „A” patrat, diferind doar inaltimea structurii care, in acest caz, este mai mica – h = 0.50a, unde „a” este modulul structurii spatiale. Acest tip de structura spatiala este folosit in constructii cu deschideri mai mici si care au o inaltime structurala mai mica.
2.1.3 Triunghi – O+ 2T Cele doua grilaje plane si paralele (stratul superior si cel inferior) se formeaza prin repeterea triunghiului echilateral de baza cu latura „a”. Acestea sunt conectate intre ele prin bare diagonale, care formeaza triunghiuri echivalente. In consecinta, acestea formeaza octaedre cu cate doua tetraedre, ca module tridimensionale strans unite. Octaedrele si tetraedrele sunt module stabile cinetic si, astfel, o astfel de structura spatiala tridimensionala, va fi rigida. Barele au aceeasi lungime „a” iar inaltimea structurala a structurii spatiale este h = 0.816a. Comparatia intre tipul „A” Patrat si Triunghi va releva o mai mare densitate a elementelor si o inaltime structurala – h – mai mare. Acest tip de structura spatiala este potrivita pentru constructiile cu deschideri largi si pentru configuratiile plane trihexagonale.
4
COZMESCU IONEL MTSC
3. COMPONENTELE STRUCTURII RETICULATE Componentele de baza ale structurii sunt NODURILE (sferele), BARELE, SURUBURILE si RONDELEL
3.1 Nodul Nodul (sfera) structurii reticulate este componenta la care se ataseaza barele si care preia sarcinile exterioare. Fortele, care actioneaza asupra sferelor, sunt de valori diferite si, uneori, de directii opuse. Aceste forte sunt distribuite prin bare catre structura reticulata. Legatura dintre sfera si bare este realizata folosind gaurile filetate executate in sfera. Unghiurile dintre gauri depind de aspectul geometric al constructiei, iar diametrul depinde de tensiunea maxima. Sfera(nodul) sunt fabricate prin prelucrare mecanica, din otel de calitate conform DIN 17100 CK45. Dimensiunea sferei depinde de parametrii de mai jos: Valoarea fortelor care urmeaza a fi transmise. b.Dimensiunea suruburilor, pentru a evita contactul intre ele in interiorul sferei. c.Dimensiunea rondelelor invecinate.
5
COZMESCU IONEL MTSC Sferele folosite in sistemele reticulate au un diametru de 60 mm, 80 mm, 110 mm, 150 mm si 200 mm. Se pot fabrica sfere cu un diametru mai mare. Gaurile sunt filetate in sfera cu anumite unghiuri intre ele, in functie de directia barelor. Se pot executa un maximum de 18 gauri in fiecare sfera. Diametrele gaurilor filetate in sfera sunt in functie de tensiunea maxima transmisa. 3.2 Bare Barele structurii reticulate au o sectiune transversala cilindrica, diametrul si grosimea depinzand de forta maxima dezvoltata. Barele sunt facute din sectiuni cilindrice sudate, conform DIN 2458 sau fara sudura, conform DIN 2448, din otel calitatea St 37-2, conform DIN 17100. 3.3 Capete Capetele barelor-tuburilor sunt conice, avand o gaura centrala pentru ca suruburile sa le poata traversa, pentru a face legatura intre bara si sfera. Procedura de sudare pe bare este conform EN288 si face parte din sistemul calitatii companiei. 3.4 Suruburi Suruburile conecteaza barele cu nodurile si transmit, de asemenea, tensiunea de la bare spre noduri. Suruburile sunt facute din otel de mare rezistenta, conform DIN 267, de calitatea 8.8 si 10.9 cu filet metric. 3.5 Rondele Rondela este o componenta, care transmite forta de compresie intre bare si noduri. Pentru constructiile mai mari, rondela este facuta din bara de otel cu sectiune hexagonala, conform DIN 17100, St37 2. Dimensiunea rondelei depinde de diametrul surubului si de forta de compresiune din bare.
4. PROTECTIA SUPRAFETEI COMPONENTELOR STRUCTURILOR SPATIALE Metalele sunt supuse coroziunii, ca rezultat al reactiilor chimice cu oxigenul. Pentru a evita aceste reactii, suprafata lor este acoperita fie cu un metal mai rezistent, fie cu pulbere de poliester, fie cu o combinatie dintre cele doua materiale. In general, perioada de protectie creste odata cu grosimea stratului protector al invelisului. Protectia suprafetei componentelor este realizata printr-o combinatie intre cele doua materiale. Acoperirea suprafetei cu alte materiale se realizeaza in doua feluri: galvanizare electrolitica galvanizare la cald 4.1.1 Galvanizare electrolitica
6
COZMESCU IONEL MTSC Nodurile(sferele) structurilor spatiale sunt galvanizate cu un aliaj electrolitic in bai galvanice slab acide, conform DIN 50961. In acest fel, se va obtine o zincare cu o grosime de 25 microni. 4.1.2 Galvanizare la cald Barele sunt galvanizate la cald, conform DIN 50976. Procedeul de galvanizare la cald se realizeaza prin cufundarea barelor de otel in bai de zinc topit la o temperatura de 450 grade. In felul acesta, zincul se difuzeaza pe suprafata otelului cu o grosime minima de aproximativ 55 microni.
4.2 Vopsire cu pulbere in camp electrostatic Protectia suprafetei componentelor sistemelui se face prin vopsirea cu pulbere in camp electrostatic . Pe parcursul procedurii de vopsire, pulberea de poliester este pulverizata pe componentele de otel intr-un camp electrostatic. Se polimerizeaza pulberea in cuptor, la o temperatura de 200 grade C, formandu-se astfel o pelicula de rezistenta de aproximativ 80 microni. Culoarea pulberei poate fi aleasa dintr-o gama larga de culori RAL.
5. REAZEMUL STRUCTURII RETICULATE Pozitionarea reazemelor structurii reticulate este aleasa in functie de cerintele zonei. Incastrarile sunt in general fixate vertical, cu un grad, doua grade sau fara grad de libertate in cele doua directii orizontale principale, in functie de presupunerile proiectului. STUDIU DE CAZ – ACOPERIS CUPOLA
7
COZMESCU IONEL MTSC
Una dintre dificultăţile realizării sistemului de rezemare este constituită de lipsa rigidităţii pe direcţie perpendiculară pe fiecare latură a sa. Din acest motiv este nevoie de asigurarea unei rigidităţi mari la nivelul acoperişului propriu-zis, care sa aibă capacitatea de a mobiliza şi transmite uniform la sistemul de rezemare încărcările preluate (fie ele gravitaţionale şi distribuite dezechilibrat din cauza aglomerărilor cu zăpadă, fie seismice, cu valori importante rezultate din masa mare a întregului acoperiş de dimensiuni mari) Pentru a nu mări în mod nejustificat cantitatea de oţel, tălpile superioare ale fermelor secundare nu au fost dublate prin adaugarea de pane metalice pe deasupra, ci aceste tălpi vor avea şi rolul de pane, ele fiind cele care preiau direct încărcările de pe acoperiş.
6. PRINCIPII PRIVIND IZOLAREA BAZEI Din motivele prezentate, soluţia pentru rezemarea acoperişului pe cladirea existenta este prin intermediul izolatorilor de bază, pe care o vom descrie în continuare. Ca principiu, conceptul de izolare a bazei se refera la separarea structurii de teren sau de corpurile pe care reazemă în mod direct, idee de altfel foarte simplă. În timpul unui cutremur, terenul sau clădirile suport se mişcă şi tocmai această mişcare produce degradările structurale. Aşadar principiul separării structurii de teren sau de clădirile suport este foarte corect. Totuşi, din cât se cunoaşte până azi, singura modalitate de a susţine greutatea unei clădiri este de a o rezema pe teren sau pe clădirile suport. Aici intervin izolatorii, care permit transmiterea greutatii structurii la clădirile suport, dar, în acelaşi timp, realizează şi un grad de separare între cele două sisteme structurale, adăugând şi un spor important de amortizare.
8
COZMESCU IONEL MTSC Principiul fundamental al izolării bazei este acela de a modifica răspunsul clădirii astfel încât terenul sau clădirile suport să se mişte sub structura, fără a transmite în totalitate mişcarea acestuia. Cutremurele au loc in permanenţă în ţara noastra si sunt impredictibile. Abordarea clasica consta in acceptarea cerinţei si realizarea unei structuri ce are capacitatea de a face fata acestei cerinte. Forta cu care este actionata structura, in cazul unui cutremur, este o forta de inertie, care este proportionala cu masa structurii si cu acceleratia terenului. Cu cat acceleratia terenului este mai mare, cu atat capacitatea trebuie sa creasca. Totusi, nu este o solutie rationala sa continuam sa crestem capacitatea structurii, in sensul sporirii permanente a rezistentei si a rigiditatii acesteia. O alta abordare, exact din directie opusa, este constituita de izolarea bazei, prin care se incearca tocmai reducerea cerintei, in loc de cresterea capacitatii. Chiar daca nu se poate controla miscarea terenului, se poate, totusi, controla si modifica cerinta in ceea ce priveste structura, prin împiedicarea transmiterii miscarii de la teren, prin fundatie, la structura. Pentru structura de faţă au fost adoptaţi izolatori de baza elastomerici de tip LRB (izolatori elasomerici cu miez de plumb – “lead rubber bearings”). Principalele tipuri de izolatori de bază elastomerici folosiţi la nivel mondial sunt alcatuiti din multiple straturi de cauciuc, alternand cu tole de otel. Rolul tolelor de otel este de a impiedica deformarea (umflarea laterala) straturilor de cauciuc si, deci, de a conferi intregului sistem de rezemare capacitate mare de preluare a incarcarilor gravitionale de serviciu. Sistemele plane pe baza de elastomeri au flexibilitate ridicata, dar amortizarea este scazuta, iar sub efectul incarcarilor de serviciu se misca semnificativ. De aceea se prevad in miezul acestor reazeme elastomerice elemente de plumb, figura 6.2 (in cazul sistemelor tip LRB – “lead rubber bearing” sau “izolator cumiez de plumb”) sau intreg ansamblu trebuie sa fie realizat din elastomeri speciali, cu proprietati de amortizare si rigiditate foarte ridicate, figura 13 (in cazul sistemelor HRD).
Figura 6.1. Izolatori pe baza de elastomeri
9
COZMESCU IONEL MTSC
Figura 6.2. Izolator de bază cu miez de plumb (LRB)
Figura 6.3. Amortizor tip HRD Structura acoperişului propriu-zis va fii susţinută pe stâlpi metalici, care vor rezema pe clădirile existente prin intermediul izolatorilor de bază. La rândul lor, stâlpii metalici sunt conformaţi într-un sistem structural de tip cadru rigid. Inspecţia izolatorilor de bază: Dispozitivele de izolare a bazei vor fi inspectate periodic. Intervalul de inspectare va fi cuprins între 5 şi 10 ani, sau după un eveniment seismic important, iar în jurnalul de inspecţie se va consemna starea acestuia. Inspecţia va fi efectuată de către reprezentanţii desemnaţi ai producătorului sau de către proiectantul de structură ori reprezentanţii desemnaţi ai acestuia.
10
COZMESCU IONEL MTSC 7. MONITORIZAREA DEFORMAŢIILOR ŞI A TENSIUNILOR Prin proiect se impune montarea unor senzori de deformaţii şi tensiuni cu ajutorul cărora se vor putea monitoriza în timp fermele principale ale acoperişului. Pe fiecare dintre aceste ferme se vor monta câte doi senzori (unul la talpa inferioară şi unul la talpa superioară), la jumătatea deschiderii fiecăreia dintre ele, prin care se va monitoriza deformaţia longitudinală specifică. Valoarea de atenţie a deformaţiei specifice va fi - ε=1,00x10-3 – pentru talpa superioară a fermelor. - ε=1,43x10-3 – pentru talpa inferioară a fermelor. După instalarea senzorilor şi citirea iniţială (“de zero”), citirile se vor face o dată pe an, cu excepţia apariţiei unor evenimente semnificative: Incendii sau surse de căldură excesivă în spaţiul acoperit de cupolă; Seism cu magnitudinea moment >7,3 grade (magnitudinte Richter > 7,0 grade) Ninsori abundente, cu depuneri de zăpadă la nivelul solului de min. 40 cm
caz în care se vor face citiri / măsurători după încheierea evenimentului; (în cazul ninsorilor citirile se vor face după oprirea acestora şi stabilizarea grosimii stratului de zăpadă). Montarea senzorilor şi citirile propriu-zise se vor face de către o companie specializată, pe baza unui proiect de monitorizare întocmit de aceasta, proiect care se va putea definitiva şi calibra în funcţie de stadiul şi evoluţia lucrărilor şi care va trebui aprobat de proiectantul de structură. Monitorizarea seismică: Conform Codului de proiectare seismică P100/1-2006, Annexa A , structura acoperişului poate fi echipată cu un sistem digital de achiziţie şi minim trei senzori tri-axiali. Acesti senzori tri-axiali se poat monta in diferite lorcuri, cum ar fi: - un senzor exterior, amplasat în teren, în vecinătatea clădirilor de beton (la o distanţă maximă de 20 m de clădiri); - unul la nivelul fundaţiilor, unul la nivelul parterului, unul la nivelul ultimei plăci de beton şi unul la partea superioară a cadrului central de rezemare a cupolei. Sistemul de achiziţie digital va trebui să fie conectat la reţeaua naţionala de monitorizare seismică. Sistemul va fi calibrat sa înregistreze orice mişcare seismică cu Magnitudine Moment mai mare de 6.3⁰ (Magnitudine Richter mai mare de 6.0⁰). 8. ASPECTE TEHNOLOGICE Se recomandă ca la fabricarea fermelor principale să se realizeze negative sau tipare, care să poată da forma corectă a fermelor şi unghiurile corecte pentru tălpile acestora.
11
COZMESCU IONEL MTSC Detaliile din proiect au fost concepute pentru a se putea prelua abaterile de montaj admise de normele în vigoare. Cu toate acestea, înainte de fabricarea structurii metalice, se va face un releveu complet al structurilor de beton, pentru a se putea confecţiona elementele metalice astfel încât abaterile la montaj să fie minime şi să nu depăşească valorile admise. Fiind vorba de o structură specială, o atenţie deosebită trebuie acordată tehnologiei de montaj. Structura a fost concepută pentru a se fabrica, a fi livrată şi a se monta pe subansambluri: - Fiecare fermă principală este compusă din mai multe tronsoane, a căror lungime este limitată la 12 m (din condiţii de transport şi manipulare); - Fiecare fermă secundară va fi uzinată şi livrată în întregime, având lungimi cuprinse între 2,5 – 11,0 m - Masa maximă a unei ferme (Ferma Principala 1) este de cca. 12 tone şi este realizată din 5 tronsoane, cu masa de aprox. 2,4 -2,5 tone fiecare. Tronsoanele de ferme principale se vor îmbina între ele prin joante de montaj cu şuruburi. Pentru ridicarea fermelor la poziţie o soluţie posibilă este amplasarea a două macarale mobile pe placa. Ridicarea fiecărei ferme principale se va face simultan cu cele două macarale, după ce în prealabil ferma a fost asamblată la sol (prin joantele de montaj dintre tronsoane).
12
COZMESCU IONEL MTSC
CUPRINS
1. GENERALITATI.................................................................................................... 2 2. GEOMETRIE........................................................................................................ 3 3. COMPONENTELE STRUCTURII RETICULATE ........................................................5 4. PROTECTIA SUPRAFETEI COMPONENTELOR STRUCTURILOR SPATIALE..............6 5. REAZEMUL STRUCTURII RETICULATE .................................................................7 6. PRINCIPII PRIVIND IZOLAREA BAZEI....................................................................8 7. MONITORIZAREA DEFORMAŢIILOR ŞI A TENSIUNILOR......................................11 CUPRINS............................................................................................................... 13
13
STRUCTURI SPATIALE RETICULATE
Student: COZMESCU IONEL Master: AN I Specializarea: MANAGEMENT SI TEHNOLOGII SPECIALE IN CONSTRUCTII
COZMESCU IONEL MTSC
STRUCTURI SPATIALE RETICULATE
1. GENERALITATI Structurile spaţiale sunt sisteme constructive moderne utilizate la acoperirea suprafeţelor cu deschideri libere mari pe ambele direcţii (fără rezemări intermediare), ce caracterizează construcţiile destinate adăpostirii aglomerărilor mari de oameni. Ele sun traţionale din punct de vedere structural, al consumurilor specifice, execuţiei, costurilor pentru întreţinere şi se pretează la modernizări / extinderi ale construcţiilor în a căror componenţă se află. O structură spaţială poate fi definită ca fiind un ansamblu tridimensional de elemente structurale capabile să preia încărcări ce pot fi aplicate în orice punct, înclinate cu orice unghi în raport cu suprafaţa structurii şi acţionând în orice direcţie.Structurile spaţiale pot fi realizate din elemente uzinate simple, adesea de formă şi dimensiuni obişnuite, care sunt produse în unităţi de confecţii metalice asamblate uşor şirapid pe şantier. Structurile spaţiale reticulate planare sunt sisteme de bare drepte având extremităţile (noduri) situate în două sau mai multe plane paralele care constituie feţele structurii. Structurile spaţiale reticulate planare au o conformare regulată caracterizată prin repetarea de un număr mare de ori a unui element constituent (modul): bară,subansamblu plan sau spaţial, (de obicei piramidal).Dimensiunile modulului sunt dictate de mai mulţi factori: deschidere, încărcări,sistemul de învelitoare, tipul de nod, aspectul arhitectural, posibilităţile de transport,tehnologii de execuţie. Modul de dispunere a barelor şi condiţiile de rezemare trebuie să fie astfel încât să asigure indeformabilitatea geometrică a structurii.Carelajul fiecărei feţe poate fi deformabil sau indeformabil. Indeformabilitatea geometrică a întregii structuri este asigurată de diagonale şi de condiţiile de contur. Barele structurii sunt supuse, în principal, la eforturi axiale, influenţa momentelor încovoietoare şi de torsiune fiind nesemnificativă chiar în cazul sistemelor îmbinate rigid. Structurile reticulate prezinta urmatoarele avantaje tehnice si constructive : a. Estetica excelenta, compozitii sigure care pot sa satisfaca orice fel de cerinte arhitecturale; b. Posibilitati nelimitate in ceea ce priveste geometria constructiei, fara restrictii in realizarea oricaror forme; c. Structurile reticulate sunt produse industrializate cu un cost de transport scazut; d. Asamblare usoara, care nu necesita personal cu calificare inalta;
2
COZMESCU IONEL MTSC e. Rigiditate mare, facand din structurile reticulate structuri ideale pentru deschideri largi, fara suporti intermediari; f. Relatie excelenta intre greutatea proprie si sarcinile preluate. Avantajele mentionate mai sus fac ca structurile reticulate sa acopere o gama larga de utilizari cum ar fii : Constructii cu deschideri mari . Centre comerciale care cer o estetica superioara . Sali polivalente Standuri pentru targuri/expozitii, care necesita o instalare si o demontare usoare si rapida .
2. GEOMETRIE Din punct de vedere geometric, o structura reticulata este alcatuita din doua grilaje plane, paralele intre ele, care formeaza stratul superior si inferior a structurii. Distanta dintre centrele nodulului (sferei) grilajului este modulul – „a” al constructiei. Aceste doua grilaje plane sunt legate una cu cealalta prin folosirea barelor diagonale. Sarcinile exterioare sunt distribuite intre cele doua straturi paralele si barele diagonale cere le unesc. Distanta dintre cele doua grilaje plane se numeste inaltime structurala – „h”- a structurii spatiale. Aceasta inaltime depinde de tipul de structura spatiala construita. 2.1 Tipuri de structuri spatiale 2.1.1 Patrat „A”– ½ O+T Cele doua grilaje plane (stratul superior si cel inferior) sun formate prin repetarea patratului de baza cu latura „a” – modul – si sunt conectate prin bare diagonale. Elementele grilajelor plane si diagonalele formeaza triunghiuri echivalente, formand astfel semioctaedre si tetraedre. In aceste caz, inaltimea structurala – h - este h = 0.707a iar barele au aceeasi lungime „a”. Unghiul dintre bara diagonala si bara stratului superior si a celui inferior este de 60 grade. Acest tip de structura spatiala este folosita in majoritatea constructiilor noastre, datorita faptului ca este mai economica.
3
COZMESCU IONEL MTSC
2.1.2 Patrat „B”– 1/ O+T Acest tip de structura spatiala se formeaza in acelasi fel cu tipul „A” patrat, diferind doar inaltimea structurii care, in acest caz, este mai mica – h = 0.50a, unde „a” este modulul structurii spatiale. Acest tip de structura spatiala este folosit in constructii cu deschideri mai mici si care au o inaltime structurala mai mica.
2.1.3 Triunghi – O+ 2T Cele doua grilaje plane si paralele (stratul superior si cel inferior) se formeaza prin repeterea triunghiului echilateral de baza cu latura „a”. Acestea sunt conectate intre ele prin bare diagonale, care formeaza triunghiuri echivalente. In consecinta, acestea formeaza octaedre cu cate doua tetraedre, ca module tridimensionale strans unite. Octaedrele si tetraedrele sunt module stabile cinetic si, astfel, o astfel de structura spatiala tridimensionala, va fi rigida. Barele au aceeasi lungime „a” iar inaltimea structurala a structurii spatiale este h = 0.816a. Comparatia intre tipul „A” Patrat si Triunghi va releva o mai mare densitate a elementelor si o inaltime structurala – h – mai mare. Acest tip de structura spatiala este potrivita pentru constructiile cu deschideri largi si pentru configuratiile plane trihexagonale.
4
COZMESCU IONEL MTSC
3. COMPONENTELE STRUCTURII RETICULATE Componentele de baza ale structurii sunt NODURILE (sferele), BARELE, SURUBURILE si RONDELEL
3.1 Nodul Nodul (sfera) structurii reticulate este componenta la care se ataseaza barele si care preia sarcinile exterioare. Fortele, care actioneaza asupra sferelor, sunt de valori diferite si, uneori, de directii opuse. Aceste forte sunt distribuite prin bare catre structura reticulata. Legatura dintre sfera si bare este realizata folosind gaurile filetate executate in sfera. Unghiurile dintre gauri depind de aspectul geometric al constructiei, iar diametrul depinde de tensiunea maxima. Sfera(nodul) sunt fabricate prin prelucrare mecanica, din otel de calitate conform DIN 17100 CK45. Dimensiunea sferei depinde de parametrii de mai jos: Valoarea fortelor care urmeaza a fi transmise. b.Dimensiunea suruburilor, pentru a evita contactul intre ele in interiorul sferei. c.Dimensiunea rondelelor invecinate.
5
COZMESCU IONEL MTSC Sferele folosite in sistemele reticulate au un diametru de 60 mm, 80 mm, 110 mm, 150 mm si 200 mm. Se pot fabrica sfere cu un diametru mai mare. Gaurile sunt filetate in sfera cu anumite unghiuri intre ele, in functie de directia barelor. Se pot executa un maximum de 18 gauri in fiecare sfera. Diametrele gaurilor filetate in sfera sunt in functie de tensiunea maxima transmisa. 3.2 Bare Barele structurii reticulate au o sectiune transversala cilindrica, diametrul si grosimea depinzand de forta maxima dezvoltata. Barele sunt facute din sectiuni cilindrice sudate, conform DIN 2458 sau fara sudura, conform DIN 2448, din otel calitatea St 37-2, conform DIN 17100. 3.3 Capete Capetele barelor-tuburilor sunt conice, avand o gaura centrala pentru ca suruburile sa le poata traversa, pentru a face legatura intre bara si sfera. Procedura de sudare pe bare este conform EN288 si face parte din sistemul calitatii companiei. 3.4 Suruburi Suruburile conecteaza barele cu nodurile si transmit, de asemenea, tensiunea de la bare spre noduri. Suruburile sunt facute din otel de mare rezistenta, conform DIN 267, de calitatea 8.8 si 10.9 cu filet metric. 3.5 Rondele Rondela este o componenta, care transmite forta de compresie intre bare si noduri. Pentru constructiile mai mari, rondela este facuta din bara de otel cu sectiune hexagonala, conform DIN 17100, St37 2. Dimensiunea rondelei depinde de diametrul surubului si de forta de compresiune din bare.
4. PROTECTIA SUPRAFETEI COMPONENTELOR STRUCTURILOR SPATIALE Metalele sunt supuse coroziunii, ca rezultat al reactiilor chimice cu oxigenul. Pentru a evita aceste reactii, suprafata lor este acoperita fie cu un metal mai rezistent, fie cu pulbere de poliester, fie cu o combinatie dintre cele doua materiale. In general, perioada de protectie creste odata cu grosimea stratului protector al invelisului. Protectia suprafetei componentelor este realizata printr-o combinatie intre cele doua materiale. Acoperirea suprafetei cu alte materiale se realizeaza in doua feluri: galvanizare electrolitica galvanizare la cald 4.1.1 Galvanizare electrolitica
6
COZMESCU IONEL MTSC Nodurile(sferele) structurilor spatiale sunt galvanizate cu un aliaj electrolitic in bai galvanice slab acide, conform DIN 50961. In acest fel, se va obtine o zincare cu o grosime de 25 microni. 4.1.2 Galvanizare la cald Barele sunt galvanizate la cald, conform DIN 50976. Procedeul de galvanizare la cald se realizeaza prin cufundarea barelor de otel in bai de zinc topit la o temperatura de 450 grade. In felul acesta, zincul se difuzeaza pe suprafata otelului cu o grosime minima de aproximativ 55 microni.
4.2 Vopsire cu pulbere in camp electrostatic Protectia suprafetei componentelor sistemelui se face prin vopsirea cu pulbere in camp electrostatic . Pe parcursul procedurii de vopsire, pulberea de poliester este pulverizata pe componentele de otel intr-un camp electrostatic. Se polimerizeaza pulberea in cuptor, la o temperatura de 200 grade C, formandu-se astfel o pelicula de rezistenta de aproximativ 80 microni. Culoarea pulberei poate fi aleasa dintr-o gama larga de culori RAL.
5. REAZEMUL STRUCTURII RETICULATE Pozitionarea reazemelor structurii reticulate este aleasa in functie de cerintele zonei. Incastrarile sunt in general fixate vertical, cu un grad, doua grade sau fara grad de libertate in cele doua directii orizontale principale, in functie de presupunerile proiectului. STUDIU DE CAZ – ACOPERIS CUPOLA
7
COZMESCU IONEL MTSC
Una dintre dificultăţile realizării sistemului de rezemare este constituită de lipsa rigidităţii pe direcţie perpendiculară pe fiecare latură a sa. Din acest motiv este nevoie de asigurarea unei rigidităţi mari la nivelul acoperişului propriu-zis, care sa aibă capacitatea de a mobiliza şi transmite uniform la sistemul de rezemare încărcările preluate (fie ele gravitaţionale şi distribuite dezechilibrat din cauza aglomerărilor cu zăpadă, fie seismice, cu valori importante rezultate din masa mare a întregului acoperiş de dimensiuni mari) Pentru a nu mări în mod nejustificat cantitatea de oţel, tălpile superioare ale fermelor secundare nu au fost dublate prin adaugarea de pane metalice pe deasupra, ci aceste tălpi vor avea şi rolul de pane, ele fiind cele care preiau direct încărcările de pe acoperiş.
6. PRINCIPII PRIVIND IZOLAREA BAZEI Din motivele prezentate, soluţia pentru rezemarea acoperişului pe cladirea existenta este prin intermediul izolatorilor de bază, pe care o vom descrie în continuare. Ca principiu, conceptul de izolare a bazei se refera la separarea structurii de teren sau de corpurile pe care reazemă în mod direct, idee de altfel foarte simplă. În timpul unui cutremur, terenul sau clădirile suport se mişcă şi tocmai această mişcare produce degradările structurale. Aşadar principiul separării structurii de teren sau de clădirile suport este foarte corect. Totuşi, din cât se cunoaşte până azi, singura modalitate de a susţine greutatea unei clădiri este de a o rezema pe teren sau pe clădirile suport. Aici intervin izolatorii, care permit transmiterea greutatii structurii la clădirile suport, dar, în acelaşi timp, realizează şi un grad de separare între cele două sisteme structurale, adăugând şi un spor important de amortizare.
8
COZMESCU IONEL MTSC Principiul fundamental al izolării bazei este acela de a modifica răspunsul clădirii astfel încât terenul sau clădirile suport să se mişte sub structura, fără a transmite în totalitate mişcarea acestuia. Cutremurele au loc in permanenţă în ţara noastra si sunt impredictibile. Abordarea clasica consta in acceptarea cerinţei si realizarea unei structuri ce are capacitatea de a face fata acestei cerinte. Forta cu care este actionata structura, in cazul unui cutremur, este o forta de inertie, care este proportionala cu masa structurii si cu acceleratia terenului. Cu cat acceleratia terenului este mai mare, cu atat capacitatea trebuie sa creasca. Totusi, nu este o solutie rationala sa continuam sa crestem capacitatea structurii, in sensul sporirii permanente a rezistentei si a rigiditatii acesteia. O alta abordare, exact din directie opusa, este constituita de izolarea bazei, prin care se incearca tocmai reducerea cerintei, in loc de cresterea capacitatii. Chiar daca nu se poate controla miscarea terenului, se poate, totusi, controla si modifica cerinta in ceea ce priveste structura, prin împiedicarea transmiterii miscarii de la teren, prin fundatie, la structura. Pentru structura de faţă au fost adoptaţi izolatori de baza elastomerici de tip LRB (izolatori elasomerici cu miez de plumb – “lead rubber bearings”). Principalele tipuri de izolatori de bază elastomerici folosiţi la nivel mondial sunt alcatuiti din multiple straturi de cauciuc, alternand cu tole de otel. Rolul tolelor de otel este de a impiedica deformarea (umflarea laterala) straturilor de cauciuc si, deci, de a conferi intregului sistem de rezemare capacitate mare de preluare a incarcarilor gravitionale de serviciu. Sistemele plane pe baza de elastomeri au flexibilitate ridicata, dar amortizarea este scazuta, iar sub efectul incarcarilor de serviciu se misca semnificativ. De aceea se prevad in miezul acestor reazeme elastomerice elemente de plumb, figura 6.2 (in cazul sistemelor tip LRB – “lead rubber bearing” sau “izolator cumiez de plumb”) sau intreg ansamblu trebuie sa fie realizat din elastomeri speciali, cu proprietati de amortizare si rigiditate foarte ridicate, figura 13 (in cazul sistemelor HRD).
Figura 6.1. Izolatori pe baza de elastomeri
9
COZMESCU IONEL MTSC
Figura 6.2. Izolator de bază cu miez de plumb (LRB)
Figura 6.3. Amortizor tip HRD Structura acoperişului propriu-zis va fii susţinută pe stâlpi metalici, care vor rezema pe clădirile existente prin intermediul izolatorilor de bază. La rândul lor, stâlpii metalici sunt conformaţi într-un sistem structural de tip cadru rigid. Inspecţia izolatorilor de bază: Dispozitivele de izolare a bazei vor fi inspectate periodic. Intervalul de inspectare va fi cuprins între 5 şi 10 ani, sau după un eveniment seismic important, iar în jurnalul de inspecţie se va consemna starea acestuia. Inspecţia va fi efectuată de către reprezentanţii desemnaţi ai producătorului sau de către proiectantul de structură ori reprezentanţii desemnaţi ai acestuia.
10
COZMESCU IONEL MTSC 7. MONITORIZAREA DEFORMAŢIILOR ŞI A TENSIUNILOR Prin proiect se impune montarea unor senzori de deformaţii şi tensiuni cu ajutorul cărora se vor putea monitoriza în timp fermele principale ale acoperişului. Pe fiecare dintre aceste ferme se vor monta câte doi senzori (unul la talpa inferioară şi unul la talpa superioară), la jumătatea deschiderii fiecăreia dintre ele, prin care se va monitoriza deformaţia longitudinală specifică. Valoarea de atenţie a deformaţiei specifice va fi - ε=1,00x10-3 – pentru talpa superioară a fermelor. - ε=1,43x10-3 – pentru talpa inferioară a fermelor. După instalarea senzorilor şi citirea iniţială (“de zero”), citirile se vor face o dată pe an, cu excepţia apariţiei unor evenimente semnificative: Incendii sau surse de căldură excesivă în spaţiul acoperit de cupolă; Seism cu magnitudinea moment >7,3 grade (magnitudinte Richter > 7,0 grade) Ninsori abundente, cu depuneri de zăpadă la nivelul solului de min. 40 cm
caz în care se vor face citiri / măsurători după încheierea evenimentului; (în cazul ninsorilor citirile se vor face după oprirea acestora şi stabilizarea grosimii stratului de zăpadă). Montarea senzorilor şi citirile propriu-zise se vor face de către o companie specializată, pe baza unui proiect de monitorizare întocmit de aceasta, proiect care se va putea definitiva şi calibra în funcţie de stadiul şi evoluţia lucrărilor şi care va trebui aprobat de proiectantul de structură. Monitorizarea seismică: Conform Codului de proiectare seismică P100/1-2006, Annexa A , structura acoperişului poate fi echipată cu un sistem digital de achiziţie şi minim trei senzori tri-axiali. Acesti senzori tri-axiali se poat monta in diferite lorcuri, cum ar fi: - un senzor exterior, amplasat în teren, în vecinătatea clădirilor de beton (la o distanţă maximă de 20 m de clădiri); - unul la nivelul fundaţiilor, unul la nivelul parterului, unul la nivelul ultimei plăci de beton şi unul la partea superioară a cadrului central de rezemare a cupolei. Sistemul de achiziţie digital va trebui să fie conectat la reţeaua naţionala de monitorizare seismică. Sistemul va fi calibrat sa înregistreze orice mişcare seismică cu Magnitudine Moment mai mare de 6.3⁰ (Magnitudine Richter mai mare de 6.0⁰). 8. ASPECTE TEHNOLOGICE Se recomandă ca la fabricarea fermelor principale să se realizeze negative sau tipare, care să poată da forma corectă a fermelor şi unghiurile corecte pentru tălpile acestora.
11
COZMESCU IONEL MTSC Detaliile din proiect au fost concepute pentru a se putea prelua abaterile de montaj admise de normele în vigoare. Cu toate acestea, înainte de fabricarea structurii metalice, se va face un releveu complet al structurilor de beton, pentru a se putea confecţiona elementele metalice astfel încât abaterile la montaj să fie minime şi să nu depăşească valorile admise. Fiind vorba de o structură specială, o atenţie deosebită trebuie acordată tehnologiei de montaj. Structura a fost concepută pentru a se fabrica, a fi livrată şi a se monta pe subansambluri: - Fiecare fermă principală este compusă din mai multe tronsoane, a căror lungime este limitată la 12 m (din condiţii de transport şi manipulare); - Fiecare fermă secundară va fi uzinată şi livrată în întregime, având lungimi cuprinse între 2,5 – 11,0 m - Masa maximă a unei ferme (Ferma Principala 1) este de cca. 12 tone şi este realizată din 5 tronsoane, cu masa de aprox. 2,4 -2,5 tone fiecare. Tronsoanele de ferme principale se vor îmbina între ele prin joante de montaj cu şuruburi. Pentru ridicarea fermelor la poziţie o soluţie posibilă este amplasarea a două macarale mobile pe placa. Ridicarea fiecărei ferme principale se va face simultan cu cele două macarale, după ce în prealabil ferma a fost asamblată la sol (prin joantele de montaj dintre tronsoane).
12
COZMESCU IONEL MTSC
CUPRINS
1. GENERALITATI.................................................................................................... 2 2. GEOMETRIE........................................................................................................ 3 3. COMPONENTELE STRUCTURII RETICULATE ........................................................5 4. PROTECTIA SUPRAFETEI COMPONENTELOR STRUCTURILOR SPATIALE..............6 5. REAZEMUL STRUCTURII RETICULATE .................................................................7 6. PRINCIPII PRIVIND IZOLAREA BAZEI....................................................................8 7. MONITORIZAREA DEFORMAŢIILOR ŞI A TENSIUNILOR......................................11 CUPRINS............................................................................................................... 13
13
