1  

Cursul 2 : Introducere în EC4

Rezumat:

Un număr de termeni folosiţi în EC4 au o semnificaţie foarte precisă Principalele componente ale unei construcţii compozite sunt betonul, armătura, oţelul structural, tabla cutată, şi conectorii de forfecare. Proprietăţile de material ale fiecărui component sunt definite în alte Eurocoduri. Sunt date indicaţii privind care metodă de analiză (la nivel global sau local) este cea mai potrivită. EC4 este bazat pe principiile proiectării la stări limită Starea limită ultimă priveşte colapsul Starea limită de serviciu priveşte condiţiile de exploatare. Acestea se reflectă concret în controlul deformaţiilor şi fisurării, şi EC4 dă indicaţii pentru amble situaţii. EC4 este structurat pe baza tipului de element, şi proceduri detaliate pentru proiectarea grinzilor, stâlpilor şi plăcilor sunt date în secţiuni separate. Cunoştinţe preliminare:

Nici una Obiective:

Descrierea structurii EC4. Explicarea unor termeni tehnic specifii şi a principalelor notaţii. Identificarea principalelor componente şi a caracteristicilor de material corespunzătoare pentru construcţiile compozite. Introducerea principiilor proiectării la stări limită în cazul construcţiilor compozite oţel-beton. Evidenţierea principiilor analizei şi proiectării, atât la starea limită ultimă cât şi la stările limită de serviciu, pentru grinzi, stâlpi şi plăci compozite. Referinţe:

EC4: EN 1994-1-1: Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1.1: General rules and rules for buildings. Conţinut:

1. Structura Eurocode 4 Partea 1.1 2. Terminologie 3. Notaţii/Simboluri 4. Proprietăţile materialelor

4.1 Beton 4.2 Armături 4.3 Oţel structural 4.4 Tablă cutată pentru plăci compozite 4.5 Conectori de forfecare

5. Analiza şi proiectarea structurilor şi elementelor

2  

5.1 Starea limită ultimă 5.2 Proprietăţi şi clasificarea secţiunilor transversale 5.3 Stări limită de serviciu

6. Starea limită ultimă 6.1 Grinzi 6.2 Stâlpi

7. Stări limită de serviciu 7.1 Săgeţi 7.2 Fisurarea betonului

8. Noduri compozite 9. Plăci compozite 10. Rezumat cu concluzii

3  

1. Structura Eurocodului 4 Partea 1.1 Aranjamentul capitolelor din EC4-1-1 este bazat pe succesiunea tipică de operaţii în proiectare, începând cu date de bază privind proprietăţile materialelor şi factorii de siguranţă, apoi considerând chestiuni legate de metodele de calcul structural, înainte de a detalia cerinţele pentru proiectarea elementelor (atât la stări limită de serviciu cât şi ultime).

EC4 este organizat într-un număr de capitole şi anexe după cum urmează:

Capitolul 1 Generalităţi

Pune în evidenţă scopul EC4, defineşte termenii specifici, şi dă o listă de notaţii.

Capitolul 2 Bazele proiectării

Evidenţiază principiile de proiectare şi introduce factorii parţiali de siguranţă.

Capitolul 3 Materiale

Specifică rezistenţe caracteristice pentru beton, oţel (pentru armături şi structural) şi conectori de forfecare.

Capitolul 4 Durabilitate

Specifică cerinţe particulare pentru protecţia la coroziune a elementelor compozite, în legătură cu interfaţa între oţel şi beton, şi standarde de galvanizare pentru table profilate pentru plăci compozite.

Capitolul 5 Calculul structural

Acest capitol descrie metode adecvate pentru calculul structural global şi aplicaţiile lor potenţiale şi defineşte lăţimea efectivă şi clasificarea secţiunilor.

Capitolul 6 Stări limită ultime

Acest capitol dă reguli detaliate privind dimensionarea elementelor individuale (grinzi şi stâlpi), incluzând conectorii de forfecare. Proiectarea plăcilor compozite este acoperită de capitolul 9.

Capitolul 7 Stări limită de serviciu

Stabileşte modul de calcul al săgeţilor şi cerinţe pentru controlul fisurării.

Capitolul 8 Noduri de cadre compozite pentru clădiri

Dă proceduri detaliate pentru proiectarea nodurilor.

Capitolul 9 Plăci compozite cu tablă cutată pentru clădiri

Dă recomandări specifice pentru utilizarea plăcilor compozite şi stabileşte proceduri detaliate pentru verificarea atât la stări limită ultime cât şi la stări limită de serviciu pentru tabla cutată ca şi cofraj şi pentru placa compozită.

Anexa A (Informativă) Rigidităţile componentelor nodurilor

Dă relaţii de calcul pentru rigiditatea elementelor componente ale nodurilor compozite.

Anexa B (Informativă) Încercări standard

Descrie proceduri pentru încercarea conectorilor de forfecare şi a plăcilor compozite atunci când nu sunt disponibile date standard.

4  

Anexa C (Informativă) Contracţia betonului pentru structuri compozite la clădiri

Dă valori pentru deformaţia specifică liberă de contracţie a betonului, care pot fi folosite în cazurile curente.

2. Terminologie Eurocodurile definesc un număr de termeni care, deşi folosiţi frecvent în general într-un sens destul de vag au o semnificaţie mai precisă în contextul EC4. Aceşti termeni sunt definiţi clar şi includ:

„Element compozit” se referă la un element structural cu componente de beton şi oţel structural sau oţel format la rece, legate cu conectori de forfecare astfel încât să limiteze lunecarea relativă şi separarea unei componente de cealaltă.

„Conexiune de forfecare” se referă la legătura între oţel şi componentele de beton care are suficientă rezistenţă şi rigiditate pentru a permite ca cele două componente să fie proiectate ca un singur element.

„Comportare compozită” este comportarea care apare după ce conexiunea de forfecare devine efectivă în urma întăririi betonului.

„Grindă compozită” este un element compozit supus predominant la încovoiere.

„Stâlp compozit” este un element compozit supus predominant la compresiune sau compresiune cu încovoiere.

„Placă compozită” este o placă în care foile de tablă profilată sunt folosit mai întâi drept cofraje pierdute şi apoi în combinaţia structurală cu betonul întărit acţionează ca armătură întinsă în planşeul final.

„Cadru compozit” este un cadru structural în care unel sau toate elementele sunt elemente compozite şi majoritatea celor rămase sunt elemente structurale de oţel.

„Nod compozit” este un nod între un element compozit şi un alt element compozit, de oţel sau de beton armat, în care armătura este luată în considerare la proiectare pentru rezistenţa şi rigiditatea nodului.

„Structură sau element sprijinit” este o structură sau un element la care greutatea elementelor de beton se aplică elementelor de metal care sunt sprijinite în deschidere, sau sunt sprijinite independent până când betonul este capabil să preia eforturi.

„Structură sau element nesprijinit” este o structură sau un element la care greutatea elementelor de beton se aplică elementelor de metal care nu sunt sprijinite în deschidere.

3. Notaţii/Simboluri O listă completă de simboluri este inclusă în EC4. Cele mai uzuale dintre acestea sunt enumerate mai jos:

Simboluri de natură generală:

L, l Lungime; dechidere; deschidere de calcul

N Număr de conectori de forfecare; forţă axială

R Reacţiune; rezistenţă

S Forţe & momente interne; rigiditate

5  

Săgeată; raportul oţel/beton Zvelteţe relativă Factor de reducere pentru flambaj Factor parţial de siguranţă

Smbols legate de proprietăţile secţiunii transversale:

A Aria

b Lăţimea

d Înălţime utilă; diametru

h Înălţime

i Rază de inerţie

I Moment de inerţie

W Modul de rezistenţă

Diametrul unei armături

Axele elementelor

Următoarele convenţii sunt adoptate pentru axele elementelor:

x-x în lungul elementului

y-y axa secţiunii transversale paralelă cu talpa (axa majoră)

z-z axa secţiunii transversale perpendiculară pe talpă (axa minoră) Simboluri legate de proprietăţile materialelor:

E Modul de elasticitate

f Rezistenţă

n Coeficient de echivalenţă

EC4 foloseşte de asemenea pe scară largă indicii. Ace,stia pot fi folosiţi pentru a clarifica semnificaţia exactă a unui simbol. Câţiva din indicii cei mai utilizaţi sunt daţi mai jos:

c Compresiune, secţiune compozită, beton

d Proiectare (calcul)

el Elastic

k Caracteristic

LT Lateral-torsional

pl Plastic

Simbolurile normale pot fi folosite ca indici, ca de exemplu:

Rd Rezistenţă de calcul (de proiectare)

Sd Valori de calcul (de proiectare) ale forţelor sau momentelor interne

Indicii pot fi aranjaţi în secvenţă dacă este necesar, separaţi printr-un punct zecimal – de exmplu:

Npl.Rd Valoarea de calcul a rezistenţei la compresiune axială.

6  

4. Proprietăţile materialelor

4.1 Beton

Proprietăţile betoanelor normale şi uşoare se determină conform EC2, dar EC4 nu acoperă betoane de clasă mai mică decât C20/25 sau mai mare decât C60/75 (§ 3.1). 4.2 Armături

Proprietăţile oţelului pentru armături se vor determina conform EC2. Modulul de elasticitate Es poate fi luat egal cu cel al oţelului structural (§ 3.2).

4.3 Oţel structural

Proprietăţile oţelului structural se vor determina conform EC3, dar EC4 nu acoperă oţeluri cu rezistenţa caracteristică mai mare decât 460N/mm2 (§ 3.3).

4.4 Tabla profilată pentru plăci compozite

Proprietăţile tablelor de oţel se vor determina conform EC3, dar EC4 limitează de asemenea tipurile de oţel la cele specificate în anumite Euronorme (§ 3.5).

Grosimea minimă recomandată a oţelului este 0,7mm.

4.5 Conectori de forfecare

Pentru şuruburi şi suduri se face trimitere la EN 1993-1-8, iar pentru conectorii cu cap la EN 13918.

5. Calculul structural global

5.1 Modelarea structurii pentru calcul

Sunt date principii generale de modelare, cu precizări privind modelarea nodurilor şi a interacţiunii sol-structură (§ 5.1).

5.2 Stabilitatea structurală şi imperfecţiuni

Se precizează când se poate face calcul de ordinul I şi când trebuie făcut calcul de ordinul II, şi în acest ultim caz ce metode pot fi folosite pentru introducerea efectelor de ordinul II (§ 5.2). Sunt date indicţii privind evaluarea imperfecţiunilor (§ 5.3).

5.3 Calculul efectelor acţiunilor

Sunt date recomandări pentru utilizarea metodelor de calcul global: calcul elastic (§ 5.4.2), calcul neliniar geometric (§ 5.4.3), calcul liniar-elastic cu redistribuţie limitată (§ 5.4.4), şi calcul rigid-plastic (§ 5.4.5).

Sunt clasificate secţiunile compozite fără înglobare în beton (§ 5.5.2) şi cu înglobare în beton (§ 5.5.3).

6. Starea limită ultimă (§ 6) Starea limită ultimă se referă la rezistenţa structurii la colaps. Ea se verifică în general considerând rezistenţa elementelor individuale supuse la forţe determinate dintr-o analiză structurală adecvată.

Detalii privind verificările de proiectare individuale depind de tipul de element (de ex. grindă, stâlp).

Proiectarea la starea limită ultimă a nodurilor compozite şi a plăcilor compozite este prezentaă în capitolele 8, respectiv 9.

7  

6.1 Grinzi

Pentru grinzi sunt date indicaţii privind aplicabilitatea calculului plastic, neliniar sau elasticpentru determinarea capacităţii portante la încovoiere a secţiunii transversale, cu interacţiune toatală sau parţială (§ 6.2.1).

Sunt date proceduri pentru calculul capacităţii la forţă tăietoare verticală, incluzând efectele flambajului la forţă tăietoare şi ale interacţiunii încovoiere-forţă tăietoare (§ 6.2.2).

Grinzile cu umplutură de beton între tălpi sunt definite ca parţial înglobate, şi modul de calcul al acestora la încovoiere şi forţă tăietoare este dat în §6.3.

În general, talpa superioară a grinzii metalice în structurile compozite este împiedecată împotriva flambajului lateral de placa de beton. În zonele de moment negativ însă, la grinzi continue, talpa comprimată nu este îmiedecată să se deplaseze şi proceduri pentru verificarea la flambaj prin încoviere-răsucire laterală pentru asemenea cazuri sunt date în §6.4.

Proceduri detaliate sunt date şi pentru proiectarea conexiunii longitudinale de, incluzând cerinţe pentru placă şi armarea transversală (§6.6).

6.2 Stâlpi

Sunt acoperite diferite tipuri de stâlpi compoziţi, incluzând secţiuni înglobate în beton şi secţiuni tubulare umplute cu beton. Sunt date proceduri simplificate pentru secţiuni dublu simetrice şi uniforme pe lungime. Sunt date indicaţii privind necesitatea conexiunii de forfecare şi cum poate fi realizată (§6.8).

7. Stări limită de serviciu (§7) Cerinţe de asigurare a exploatării normale sunt specificate în legătură cu limitarea săgeţilor şi fisurare. Alte condiţii mai puţin uzuale, cum ar fi controlul vibraţiilor şi limitarea eforturilor unitare nu sunt incluse în EC4.

7.1 Deformaţii

Sunt date indicaţii privind calculul săgeţilor elementelor compozite, ţinând seama de fisurarea betonului, dacă este cazul.

Nu sunt date nici un fel de indicaţii privind valorile limită ale săgeţilor

7.2 Fisurarea betonului

Betonul din elementele compozite este supus la fisurare din mai multe cauze incluzând încărcări directe şi contracţie. Fisurarea excesivă a betonului poate afecta durabilitatea şi aparenţa, impiedecând astfel buna funcţionare a clădirii. În multe cazuri acestea pot să nu fie chestiuni critice şi pot fi adoptate abordări simplificate bazate pe procente minime de armare, distanţe maxime între bare şi diametre maxime de bare. Pentru condiţii mai speciale, de exemplu în condiţii severe de expunere, EC4 dă indicaţii pentru calculul deschiderii fisurilor sub încăcările aplicate. Limitarea deschiderii fisurilor este specificată în funcţie de clasele de expunere.

8. Noduri compozite (§8) Indicaţiile date se aplică în principal la îmbinări grindă-stâlp rezistente la moment. Se referă la momentul capabil, rigiditatea la rotire şi capacitatea de rotire. Este descrisă interdependenţa dintre calculul global şi proiectarea nodului, dar unde efectele comportării nodului asupra distribuţiei forţelor interne este mic, aceasta poate fi neglijată. Sunt date indicaţii privind clasificarea ca rigid, nominal articulat sau semi-rigid pentru rigiditate şi ca integral rezistent, nominal articulat şi parţial rezistent în raport cu rezistenţa la moment.

8  

Indicaţii detaliate sunt date pentru proiectare şi detalierea nodului, incluzând armătura din placă.

9. Plăci compozite (§9) Sunt date indicaţii detaliate pentru proiectarea plăcilor compozite, atât la stările limită de serviciu cât şi la starea limită ultimă. Aceasta include stadiul la care tabla de oţel lucrează ca şi cofraj şi, în situaţie nesprijinită, trebuie să reziste la acţiunile datorate betonului proaspăt şi încărcărilor din timpul execuţiei. În acest caz se face referinţă la EC3 Partea 1.3.

Sunt date proceduri de calcul pentru determinarea rezistenţei plăcilor compozite în ce priveşte încovoierea, forţa tăietoare longitudinală şi verticală. Sunt enunţate principii pentru determinarea rigidităţii pentru calculul săgeţilorşi sunt specificate condiţiile în care calculele detaliate pot fi omise, legat de rapoartele deschidere/înălţime.

10. Rezumat şi concluzii

Unii termeni din EC4 au un înţeles foarte precis.

Principalele componente ale unei structuri compozite sunt betonul, armătura, oţelul structural, tabla profilată şi conectorii de forfecare.

Proprietăţile de material ale fiecărui component sunt definite în alte Eurocoduri.

Sunt date indicaţii privind care metode de calcul, global şi local sunt adecvate.

EC4 este bazat pe principiile proiectării la stări limită.

EC4 este structurat pe baza tipurilor de elemente, şi proceduri detaliate de proiectare pentru grinzi, stâlpi, noduri şi plăci sunt date în capitole separate.