documentc1

5/12/2018 C1 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/c15571fe8049795991699b87cd 1/80

STRUCTURI METALICE

PENTRU CONSTRUCŢII CUDESCHIDERE MARE

Bogdan ŞTEF ĂNESCU



Structuri metalice pentruconstrucţii cu deschidere mare

Esenţa ingineriei deconstrucţii:Cum să transferăm, cât

mai simplu şi mai sigur,

la terenul bun defundare, toate forţelecare acţionează asupraunei construcţii,

păstrând deformaţiile şideplasările în domeniiacceptabile, definite înnorme de proiectare.

Problema 1Forţă verticală

FF

N = Fhh

punctul A



H

hM

V

H

h

punctul A


Problema 2 – Forţă orizontală

H

h

d

TC



H

F

TCH

F

H

F

h

punctul A

H

F

H

F


Problema 3 – Forţă oblică



Generalităţi

Soluţii statice pentru acoperirea unei deschideri:Încovoiere Compresiune Întindere

VM

VM

C

T



Generalităţi

Compresiune ARCULBOLTA

CUPOLA

ÎncovoiereGRINDAPLACA

ÎntindereCABLULMEMBRANA



Soluţii clasice pentru acoperişuricu deschidere mare

Principala destinaţie – clădiri cudestinaţie religioasă (temple, bisericietc.).

În absenţa unor materiale cu rezistenţemari la întindere, soluţiile structurale

sunt din domeniul cupolelor şi albolţilor. Câteva exemple importante:




Panteonul, Roma (126)




Hagia Sofia, Istanbul (532 – 537)




San Pietro, Vatican (1506 – 1626)




St. Paul’s Cathedral, Londra (1675 – 1710)




Superdome, New Orleans (1971 – 1975)




Structuri din lemn Material mult mai uşor decât piatra →

greutate proprie mai redusă Comportare bună întindere/compresiune Limitare (naturală) privind lungimea

elementelor Degradare în timp Câteva exemple




Todai-ji, Nara, Japonia (1709) Complexul iniţial (751?), distrus de cutremur,

conţinea două pagode de 100m (?) – locul 2,după piramide

57 × 50m Cea mai mare construcţie din lemn din lume




Parlamentul britanic, Westminster Hall (sec.XI)




Metalul în construcţii Informaţii despre poduri suspendate în China înainte de

Hristos; anul 65, în Yunnan, pod suspendat pe lanţuri din fier În evul mediu şi în perioada renaşterii – fierul pentru tiranţii

bolţilor oţelul; – cantităţi mici şi scump Sec. XV – producerea fontei Pod de fontă peste Severn la Coalbrookdale, 30m deschidere 1784 – obţinerea oţelului prin pudlare (1300 – 1400°C) (sub

formă de pastă; temperatura prea mică pentru stare lichidă) După 1800 oţelul pudlat se poate îndoi şi înnădi la cald → sepot realiza bare lungi, cu rezistenţă bună la întindere

1830 – nituirea la cald

Câteva exemple de structuri metalice vechi:




Palm House, Royal Botanical Gardens, Kew, Surrey(UK) (1844 – 1848)




Crystal Palace, Hyde Park, Londra (Marea Expoziţie) (1851) – lemn, fontă şi sticlă




Crystal Palace, Penge, lângă Londra (1854 – 1856)




Liverpool Lime Street railway station, (UK) (1849) – 47m




London Waterloo International railway station, (UK) (1994)




Piaţă acoperită, Berlin (1865 – 1868)




Halele Pieţei Centrale, Paris (1854 – 1857)




Gara principală, Leipzig (1908 – 1916)




Bursa, Amsterdam (1896 – 1903)



Soluţii “moderne” pentruacoperişuri cu deschidere mare

De ce avem (încă) nevoie de acoperişuri cudeschidere mare (se păstrează nevoia de spaţiimari?)?

destinaţii cultural-sportive (stadioane, săli de sport, săli deconcerte) spaţii pentru expoziţii destinaţii religioase mai puţin

Scădere a cererii de astfel de structuri faţă de anii’60 – ’70, când a existat un entuziasm în acestdomeniu




Soluţii “moderne” pentru structuri cudeschidere mare: structuri reticulare structuri tensionate

structuri pe cabluri

structuri din membraneObs. Nici definiţiile acestor categorii şi nici

delimitările dintre ele nu sunt foarte precise.




Structură reticulară – o structură alcătuită din multe bareasemănătoare, aşezate în reţea de obicei pe o suprafaţă,plană sau curbă, în unul sau mai multe straturi, prinse lanoduri articulat sau încastrat. O astfel de structură poate

prelua forţe care acţionează la noduri în orice direcţie.O tendinţă actuală: utilizarea unor elemente flexibile (cabluri) înstructurile reticulare → structuri spaţiale (termen maigeneral).

Deployable structures (structuri expandabile): acoperişuri mobile, pliabile etc. antene pentru sateliţi




Montréal Biosphère,fost Pavilion

American la Expo’67, proiectant R.

BuckminsterFuller; pe ÎleSainte-Hélène,Montreal, Quebec

Structură reticulară




OlympiastadionMünchen

Structură pe

cabluri




Nottingham HMRC Amenity BuildingStructură din membrane




Muzeul Luvru Piramida, 1989, arhitect I.M. Pei

Structură spaţială



Soluţii “moderne” pentruacoperişuri cu deschidere mareQizhong Forest Sports City Arena, Qizhong, China

Structură expandabilă

8 minute

St t i ţi l d



Structuri spaţiale – surse deinformare

University of Surrey, Guildford, UK – SpaceStructures Research Centre International Journal of Space Structures

Cambridge University, Department of Engineering International Association of Space and Shell

Structures Caltech – California Institute of Technology



Structuri spaţiale – câtevapersoane cu realizări în domeniu

Prof. Sergio Pellegrino, California Institute of Technology, USA Prof. John Chilton, Nottingham Trent University,

UK Prof. René Motro, Université Montpellier 2, France Prof. Gerard Parke, University of Surrey, UK Prof. Tibor Tarnai, Budapest University of

Technology and Economics, Hungary



Structuri spaţiale - istoricing. August Föppl, Leipzig, “Theorie des Fachwerks” (Teoria

structurilor zăbrelite) – 1880 şi “Das Fachwerk im Raume” (Structuri spaţiale cu zăbrele) – 1892



Structuri spaţiale - istoricStructuri spaţiale care nu sunt pentru acoperişuri – turnul Eiffel

(1889), podul Firth of Forth (1852 – 1890)



Structuri spaţiale - istoricJohan Wilhelm Schwedler –

cupolă mono-strat pentrugazometre

Cea mai mare – Viena, 63m

deschidere (1874)



Structuri spaţiale - istoric Alexander Graham Bell – prima decadă a sec.XX – structuri

spaţiale (reticulare) pentru aparate de zbor



Structuri spaţiale - istoricRichard Buckminster Fuller (1895 – 1983) – cupole geodezice

Structuri spaţiale criterii de



Structuri spaţiale – criterii de

clasificare

geometria suprafeţei de bază numărul de straturi tipul de partiţie



Structuri spaţiale – clasificare în funcţiede geometria suprafeţei de bază

plană – reţea planară (nu pot fi mono-strat)




plană cu simplă curbură – cilindrice




plană cu simplă curbură cu dublă curbură

cupole (sferice,eliptice etc.)





cupole paraboloid hiperbolic





cupole paraboloid hiperbolic hiperboloid cu o pânză





cupole paraboloid hiperbolic hiperboloid cu o pânză

alte formePavilion pentru provinciaNoord-Holland (apr. 2002)

Structuri spaţiale – clasificare în



Structuri spaţiale – clasificare înfuncţie de numărul de straturi

reţele mono-strat




Structuri spaţiale – clasificare înfuncţie de numărul de straturi

reţele mono-strat reţele bi-strat




Structuri spaţiale clasificare în

funcţie de numărul de straturi reţele mono-strat reţele bi-strat reţele multi-strat

(în general, tri-strat)

Structuri spaţiale – clasificare



Structuri spaţiale clasificare

în funcţie de tipul de partiţiePartiţie (a structurilor spa ţ iale ) – modul de umplere a unui

contur pe o suprafaţă folosind (în general) un număr redusde tipuri de poligoane de acelaşi tip sau a unui volum,utilizând un număr redus de tipuri de poliedre identice

Poligon regulat – un poligon care are toate laturile egale şitoate unghiurile egale. Triunghiul este singurul poligonnedeformabil.

Poliedru regulat – un poliedru care are toate laturile egale,toate feţele sunt poligoane regulate şi toate unghiurile diedredintre feţe sunt egale.





în funcţie de tipul de partiţieStructurile spaţiale din bare rigide (cu excepţia celor

expandabile) trebuie să respecte condiţia de stabilitate(cunoscută şi ca ecuaţia lui Maxwell sau principiul lui Föppl):

b = 2n – (leg≥3) pe suprafaţă

b = 3n – (leg≥6) în spaţiuunde: b – numărul de bare n – numărul de noduri leg = numărul de legături (reazeme) exterioare





în funcţie de tipul de partiţiePoliedre regulate

tetraedru cub (hexaedru) octaedru dodecaedru icosaedru

4 noduri 8 noduri 6 noduri 20 noduri 12 noduri4 feţe 6 feţe 8 feţe 12 feţe 20 feţe




p ţ

în funcţie de tipul de partiţie

stabil instabil stabil instabil stabil

stabil stabil instabil stabil instabil




p ţ

în funcţie de tipul de partiţie reţele pe două direcţii




p ţ

în funcţie de tipul de partiţie reţele pe două direcţii reţele pe trei direcţii




p ţ

în funcţie de tipul de partiţie reţele pe două direcţii reţele pe trei direcţii reţele pe patru direcţii

St t i ţi l l ifi î f ţi d ti l



Structuri spaţiale – clasificare în funcţie de tipulde partiţie – exemple reţele bi-strat

modul – piramidă pătrată

Structuri spaţiale clasificare în funcţie de tipul




modul – piramidă pătrată





modul – tetraedru





modul – piramidă hexagonală

Structuri spaţiale – clasificare în funcţie de tipul




modul – tetraedru (reţea Wabayashi)



Structuri spaţiale – materiale oţel

( ) ( ))1(6.2.3,111993ENmm N8100012

EG

2

−−=ν+=

( )4.A.tab,111991ENmkN5,780,77 3−−÷= γ

( ))1(6.2.3,111993ENmm N210000E 2−−=

( ))1(6.2.3,111993EN3,0 −−=ν

( ))1(6.2.3,111993EN)C100T pentru(K 1012

6

−−°≤×=α

−



Structuri spaţiale – materiale oţel aliaje de aluminiu

( ))1(5.2.3,111999ENmm N27000G 2 −−=

( )4.A.tab,111991ENmkN0,27 3−−= γ

( ))1(5.2.3,111999ENmm N70000E 2 −−=

( ))1(5.2.3,111999EN3,0 −−=ν

( ))1(5.2.3,111999ENC1023 6 −−°×=α −



Structuri spaţiale – materiale oţel aliaje de aluminiu lemn

beton armat materiale plastice polimeri armaţi cu fibre (sticlă, carbon) (ex. GRP –

poliester armat cu fibră de sticlă) bambus (“Space Structures 4”, Thomas Telford,

pag. 573 – 581)

( )3.A.tab,111991ENmkN8,105,3 3 −−÷= γ

( )1.A.tab,111991ENmkN0,250,103

−−÷= γ

Structuri spaţiale – avantaje



şi dezavantaje Pot acoperi suprafeţe mari f ără a necesita reazeme

intermediare şi, în general, reprezintă soluţii estetice Mare flexibilitate în organizarea spaţiului şi în amplasarea

reazemelor

În general, soluţii eficiente pentru deschideri mari Masă proprie redusă → comportare bună la acţiuni

seismice

Au o bună rigiditate şi rezistenţă→

pot prelua forţe peorice direcţie (în special reţelele bi-strat) şi permit o mareflexibiltate în amplasarea reazemelor

Rigiditate foarte bună → deplasări mici în exploatare,

mai ales în cazul antenelor parabolice etc.

Structuri spaţiale – avantaje



şi dezavantaje Au o rezervă internă care permite preluarea unor

supraîncărcări (în special reţelele bi-strat) Chiar în cazul unor avarii severe (în special reţelele bi-strat),

nu cedează rapid (incendii, explozii, cutremure etc.) –robusteţe, redundanţă

Permit industrializarea execuţiei şi a montajului şiutilizarea forţei de muncă semi-calificate

În general, nu necesită schele şi eşafodaje complicate Componente mici şi modulare → manevrare, transport şi

montaj uşoare Permit amplasarea uşoară a instalaţiilor (HVAC) Permit realizarea unor structuri demontabile

Structuri spaţiale – avantaje şi



dezavantaje Num ă rul mare ş i costul mai mare al detaliilor de nod

în compara ţ ie cu o structur ă metalic ă clasic ă Pentru deschideri mai mici decât 20 – 30 m. rezult ă

în general mai scumpe decât structurile clasice. În cazul asambl ă rii la sol a unor subansambluri

mari, pot necesita mijloace de ridicare mai

puternice, implicit mai scumpe Pot prezenta pericolul de colaps progresiv

documentc1

Documents