Clădiri multietajate de locuit, administrative, hoteluri, cu structura din beton armat, proiectate gravitaţional (perioada interbelica)

CONFORMARE SISTEM STRUCTURAL. NEREGULARITĂŢI STRUCTURALE. ASPECTE PRIVIND PROIECTAREA ŞI DIMENSIONAREA ELEMENTELOR STRUCTURALE, CORESPUNZĂTOARE PERIOADEI DE

EXECUŢIE.

3.1. Rezolvări structurale pe înălţimea clădirii   : P÷(n-1)E   ; ultimul etaj (etaj n)

Suprastructura este realizată cu stâlpi, grinzi şi planşee din beton armat pe înălţimea clădirii, de la parter la penultimul etaj. La ultimul nivel structura de rezistenţă este realizată cu pereţi din zidărie şi planşeu din lemn.

3.2. Planşee pentru suprastructură şi infrastructură.

Grosimea plăcilor din beton armat a fost dimensionată cu relaţia hp = l minim

/40 ; au rezultat astfel grosimi diferite de plăci pe suprafaţa planşeului, între 6-10cm (figura 3.1).

La planşeul de peste subsol, în general, există un număr suplimentar de grinzi din beton armat faţă de cele de la etaje.La unele construcţii, care prezintă adăpost ALA la subsol 2, au fost identificate şi soluţii de planşeu cu bolţi de cărămidă , sau planşeu cu grinzi metalice şi bolţişoare de cărămidă. (figura 3.3)

Pentru ultimul nivel, uneori chiar două niveluri, planşeul este din grinzi de lemn sprijinite pe pereţii de zidărie, cu duşumea oarbă şi umplutură de cărămidă spartă sau moloz pentru izolarea fonică (figura 3.2).

hp2

şipcăgrindă de lemn

-duşumea oarbă;-umplutură din cloţuri de cărămidă sau moloz-scândură

hgrindă

-placă beton armat:-plafon suspendat

hp1

Hl2Hl1

Figura 3.1Planşeu cu plăci şi grinzi din beton armat.

Figura 3.2Planşeu de lemn

-pardoseală-umplutură din cloţuri de cărămidă-cărămidă

grindă metalică din profile I

Figura 3.3Planşeu cu grinzi metalice şi bolţişoare de cărămidă

3.3. Stâlpi din beton armat: forme şi poziţii ale acestora in plan.Grinzi din beton armat: poziţii în plan; rezemări pe stâlpi (rezemări de

ordinul I) şi pe alte grinzi (rezemări de ordinul II, III) Stâlpii prezintă două (figura 3.4.), patru (figura 3.5), şase, opt (figura 3.6), sau

mai multe direcţii de distribuţie; aceste direcţii sunt corespunzătoare orientărilor zonelor de clădire care au rezultat din ocuparea cât mai completă a terenului de proprietate;

Dimensiunile stâlpilor prezintă următoarele trepte: subsol, demisol şi parter, variabili pe etaje până la mansardă; la unele clădiri stâlpii au dimensiuni constante pe etaje; în foarte multe cazuri stâlpii nu mai există pe înălţimea mansardei, aceasta fiind realizată numai din zidărie.

Secţiunile de stâlpi sunt pătrate, dreptunghiulare, circulare, trapezoidale, în formă de L.

Datorită retragerilor de la ultimele 3-4 etaje, un număr important de stâlpi se opresc succesiv la nivelul etajelor inferioare; apar însă stâlpi suplimentari care sprijină pe grinzile de la nivelul inferior, cu rezemări de ordinul II.

Grinzile principale, de beton armat, ale planşeelor, au fie rezemări directe pe stâlpi, la ambele extremităţi, formând ansamblul “grindă-stâlp”, fie numai la o extremitate, iar la cealaltă extremitate, grinda sprijină pe o altă grindă, cu rezemări de ordinul II, III; rezemarea grinzilor pe stâlpi este fie paralelă cu laturile acestora, fie sub un unghi oarecare (figura 3.7).

Poziţiile si direcţiile grinzilor principale şi secundare urmăresc în general poziţiile pereţilor de zidărie, despărţitori şi de faţadă.

Înălţimile grinzilor de pe pereţii exteriori sunt limitate de prezenţa rulourilor de la ferestre.

Structura de rezistenţă a bowindow-urilor este realizată astfel (figura 3.7): *grinzile perpendiculare pe faţadă sunt scoase în consolă în afara planului faţadei; *grinda paralelă cu faţada reazemă pe grinzile în consolă;

*stâlpii bowindow-ului sunt rezemaţi pe grinzile în consolă; *grinzile dintre stâlpii din planul faţadei sunt întrerupte pe lungimea bowindow-urilor.

Poziţiile de stâlpi şi grinzi nu permit decât în puţine situaţii formarea de cadre; acestea se formează în general pe liniile de calcane şi doar pe unele zone de

Figura 3.6Clădire cu 8 direcţii de rigiditate

S+P+8ES+P+7E

Figura 3.4Clădire cu două direcţii de rigiditate

S+D+P+7E

Figura.3.5Clădire cu 4 direcţii de rigiditate

faţade; rezultă deci o lipsă de conformare antiseismică la nivel de sistem structural şi la nivel de elemente structurale;

In unele cazuri, existenţa sălilor de conferinţe şi spectacole la nivelurile inferioare (în special la parter), au condus la realizarea de grinzi Vierendel, care susţin 6-8 etaje (figura 3.8).

In perioada respectivă nu exista conceptul de cadru spaţial antiseismic;

3.4. Caracteristicile metodologiei de proiectare corespunzătoare perioadei dinainte de 1940; metode de calcul şi măsuri constructive pentru realizarea elementelor structurale

Practica proiectării este reprezentată de prescripţiile în vigoare la elaborarea proiectului iniţial şi de modul în care erau aplicate acestea în birourile de proiectare.

Practica execuţiei este reprezentată de nivelul general existent al tehnologiilor de execuţie din construcţii şi de dotarea şi calificarea antreprizei de execuţie.

Referitor la practica proiectării structurilor acestei grupe tipologice, în perioada proiectării iniţiale sunt evidenţiate următoarele aspecte :

lipsa grinzii în planul faţadei

Figura 3.7Dispoziţia stâlpilor şi a grinzilor de beton armat în plan: tipuri de rezemări ale grinzilor pe stâlpi sau pe alte grinzi; structură bowindow

grinzi transversale în consolăstâlpi faţadă

stâlpi bowindow

Figura 3.8Grindă Vierendel în cadrul etajului 1 peste parterul realizat ca o sală

în ţara noastră nu existau prescripţii oficiale pentru proiectarea construcţiilor din domeniul particular; pentru proiectarea structurilor din beton armat în sfera inginerilor calculatori (betonişti) proiectanţi, erau cunoscute mai mult sau mai puţin prescripţiile de proiectare din Germania (fostul DIN -1045 din anul 1932, care fusese tradus în limba română şi editat sub formă de broşură ), şi prescripţiile franceze la care marca de referinţă a betonului era aceea stabilită la 90 zile; din nefericire din lipsa reglementărilor oficiale în rândul proiectanţilor se introdusese conceptul “coeficienţilor personali de siguranţă” , astfel încât proiectantul angajat de antreprenor încălca în mod conştient prevederile prescripţiilor respective;

în perioada realizării clădirilor din grupa tipologică a “blocurilor vechi cu structuri din beton armat” metodele de “calcul static” (calculul eforturilor ) aplicate erau “metode rudimentare manuale”; se precizează că erau numai câţiva ani de la publicarea faimosului raport în anul 1932 a inginerului american H. Cross, a metodei iterative de calculul cadrelor; metoda Cross nu era însă cunoscută în ţara noastră; pentru structurile de tip cadru atât în general cât şi pentru această grupă tipologică, eforturile secţionale în grinzi se calculau considerându-le ca grinzi continue , cu aproximaţii în cazul deschiderilor inegale, etc.; determinarea eforturilor secţionale în stâlpi, se limita numai la determinarea eforturilor de compresiune pe baza “unei arii aferente stâlpului considerat” înmulţită cu “ încărcarea medie a planşeului”; pentru stâlpi erau complet neglijate eforturile secţionale de încovoiere şi forţă tăietoare;

un alt aspect deosebit de important a constat în neglijarea considerării acţiunii seismice asupra construcţiilor cu toate că pentru întreaga populaţie a ţării erau cunoscute evenimentele seismice; din nefericire era în vigoare conceptul “construcţiile proiectate gravitaţional rezistă şi vor rezista la seisme”; această concepţie a continuat sub forme atenuate încă 23 ani după puternicul seism din 10 nov. 1940, deci până la apariţia normativului P13 din anul 1963; din nefericire, ecourile acestei concepţii nu s-au stins nici în prezent în rândurile proprietarilor de blocuri şi în general a publicului; prescripţiile de proiectare antiseismică elaborate în anul 1941 şi publicate în 1943, de fostul Minister al Lucrărilor Publice, care prevedea necesitatea, pentru calculul structurilor, a unei forţe seismice orizontale corespunzătoare unui coeficient seismic de C=5% , cazuseră în desuetudine imediat după intrarea lor în vigoare ;

în afară de aspectele de calcul arătate mai sus, sunt de menţionat multe

deficienţe de proiectare specifice lipsei de cunoştinţe ştiinţifice în materie , în acea vreme şi faptului că proiectantului i se impuneau de către antreprenor, arhitect, şi beneficiar adoptarea de soluţii de conformare structurală necorespunzătoare pentru o bună comportare, atât la acţiuni gravitaţionale cât şi la acţiuni seismice; multe din aceste deficienţe constau în introducerea de neregularităţi structurale atât în plan cât şi pe înălţime ;

conceptele de proiectare pentru construcţiile multietajate nu erau diferite faţă de cele aplicate la proiectarea construcţiilor joase; nu existau concepte de proiectare antiseismice;

Calculul eforturilor secţionale în elementele structurale se făcea numai pentru încărcări gravitaţionale; momente încovoietoare pentru grinzi (M

gravitaţional), forţe tăietoare pentru grinzi (Q gravitaţional) şi eforturi axiale gravitaţionale stâlpi (N gravitaţional aferent stalpi).

Eforturile secţionale pentru grinzi erau stabilite în ipoteza de grindă continuă cu încărcări gravitaţionale. Pentru armarea grinzilor s-au considerat numai momentele pozitive din câmp şi momentele negative de pe reazeme (figura 3.10 ). Din această cauză armarea la partea inferioară a reazemelor (Aa,1,inf, Aa,2 st.

inf., Aa,2 dr..inf.,

Aa,3,inf. ) este insuficientă pentru preluarea momentelor pozitive date de acţiunea seismică.

Rezultă că rezerva de rezistenţă a grinzii, la plastificarea acesteia, se datorează numai diferenţei între rezistenţa de calcul (Ra) şi rezistenţa la curgere (Ra, mediu).

Armarea grinzilor rezultă astfel constantă pe înălţimea construcţiei, (figura 3.9), ceeace conduce la o valoare unică pentru forţa tăietoare asociată plastificării riglelor (Q asociat), calculată conform normativ P100-92 (figura 3.11 şi relaţiile 3.2…3.5).

.

11

12

Aa,3, sup

Aa,2 dr..inf.Aa,2 st.

inf.Aa,1,inf.

S3S22

S1

Aa,3,inf.

Aa,2 stsup. Aa,2 dr.

sup.Aa,1, sup

Figura 3.9Tip de armare grinzi pentru eforturi secţionale calculate numai la încărcări gravitaţionale

2-2

1-121

Lg,2Lg,1

Mgravitaţional

q tf/m

Figura 3. 10Momente încovoietoare pe grinzi din încărcări gravitaţionale

Mgravitaţional

My, 2, st., sup.

MY, 2, dr., inf..

My, 3, sup.

My, 1, inf.

Figura 3.11Momente încovoietoare de plastificare pe reazeme în grinzi

My, 1, sup.

Mgravitaţional

My, 2, dr.., sup.

My, 3, inf.My, 2, st., inf..

Lg1 Lg2 Lg1 Lg2

Mecanismul de disipare de energie prin deformaţii postelastice care se realizează efectiv, funcţie de sensul acţiunii seismice, este cu formarea de articulaţii plastice la capetele grinzilor, succesiv la partea superioară şi inferioară a acestora (figura 3.11).

Conform metodologiei actuale, momentele încovoietoare de plastificare, (My), în articulaţiile plastice, se calculează, considerând rezistenţele medii ale armăturii şi cantitatea de armătură, de la partea superioară sau inferioară a reazemului grinzii, care ajunge la curgere, conform relaţiei 3.1.

My,i = Aa,i . Ra, med . 0,85. hg (3.1.)

Forţele tăietoare ale grinzilor, (Qasociat ), asociate mecanismului de disipare de energie, cu formare de articulaţii plastice la capetele acestora , se calculează pentru fiecare deschidere (Lg1, Lg2 ) , în funcţie de momentele de plastificare de la capete şi suplimentul datorat încărcării gravitaţionale calculat ca pentru o grindă simplu rezemată .

Pentru grinzile cu deschiderile Lg1 şi Lg2 , şi sensul de acţiune stânga – dreapta al acţiunii seismice, forţele tăietoare corespunzătoare sunt calculate conform relaţiilor 3.2 şi 3.3:Qasociat, g1 = ( My, 1, inf. + My, 2, st., sup. ) / Lg, 1 + q. Lg, 1 / 2 (3.2)Qasociat, g2 = (My, 2, dr., inf.. + My, 3, sup. ) / Lg, 2 + q. Lg, 2 / 2 (3.3)

Pentru sensul de acţiune seismică dreapta –stânga, forţele tăietoare ale grinzilor se clculează cu relaţiile 3.4 şi 3.5:Qasociat, g1 = (My, 1, sup. + My, 2, st., inf..) / Lg, 1 + q. Lg, 1 / 2 (3.4)Qasociat, g2 = (My, 2, dr.., sup.+ My, 3, inf. . ) / Lg, 2 + q. Lg, 2 / 2 (3.5)

Pentru dimensionarea secţiunii de beton a stâlpilor se foloseau coeficienţi de siguranţă variabili:

-stâlpi interiori centrali: admisibil = 40 kg/cm2

- stâlpi marginali: admisibil = 30 kg/cm2

-stâlpi de colţ: admisibil = 20 kg/cm 2

Marca de beton era în general B150.Pentru stabilirea secţiunii de armătură a stâlpilor:

-procentele minime totale de armare longitudinală pentru stâlpi: 0,5 –0,6%;-diametrele barelor longitudinale curent folosite 12- 14; oţelul folosit în perioada respectivă era un oţel moale , cu admisibil =1200 kg/cm2 ;-armarea transversală a stâlpilor numai cu etrieri perimetrali rari de 6/ 15; - diametrul barelor verticale.

Frecventa subdimensionare gravitaţională a stâlpilor are drept consecinţe:-vulnerabilitate la seisme;-în toate procesele de prăbuşire ale blocurilor înalte în 1940 şi 1977 au fost

implicati stâlpii;-lipsa de rezervă pentru N (efort axial indirect datorat plastificării grinzilor) şi M

(momente încovoietoare datorate acţiunii seismice);- lipsa de confinare a secţiunii de beton, datorită armării transversale

deficitare.

Luând în considerare modul de armare al grinzilor şi stâlpilor prezentat mai sus, există următoarele tendinţe de comportare postelastică a acestora:

-la etajele superioare articulaţiile plastice pot apare şi în stâlpi;-la etajele intermediare articulaţiile plastice apar în grinzi;-la parter articulaţiile plastice au tendinţa să se formeze la baza stâlpilor şi la extremităţile grinzilor de peste parter; din cauza capacităţilor de rezistenţă ale grinzilor , constante pe înălţime, există tendinţa ca procesul de plastificare să se concentreze la partea inferioară a clădirii.

Pereţii de zidărie plină, cu grosimi de 7cm, 14cm şi 28cm, aflaţi între grinzile planşeelor au constituit prima linie de rezistenţă la acţiunea seismică. Din cauza uniformităţii arhitecturale, zidăria are aceeaşi capacitate de rigiditate şi rezistenţă pe înălţime, respectiv aceeaşi forţă tăietoare Q. Aceasta conduce la un efect suplimentar de localizare a deformaţiilor postelastice.Uneori zidăria poate avea o capacitate de rezistenţă mai mare decât cea a cadrelor şi în această situaţie, în lipsa unei conformări corecte şi fiind prima linie de rezistenţă, poate afecta substanţial comportarea construcţiei.

Referitor la practica execuţiei se menţionează următoarele aspecte; compoziţia betoanelor (granulometrie, dozajele de ciment , factorul apă-

ciment) era deficitară , necontrolată şi avea drept rezultate betoane de slabă rezistenţă;

prepararea betoanelor nu era în toate cazurile mecanizată şi de multe ori se făcea cu betoniere de slabă capacitate şi fără control;

punerea în operă se făcea prin turnare directă în cofrajele pentru stâlpi, grinzi şi plăci realizate în întregime, inclusiv cu întreaga armătură montată şi fără mijloace de vibrare mecanizată.

3.5. Fundaţii pentru stâlpi şi pereţi; presiuni admisibile ale terenului de fundare.

Fundaţiile au fost dimensionate numai la încărcările gravitaţionale date de greutatea aferentă de construcţie şi sarcinile accidentale (vânt, zăpadă) considerând următoarele:.- suprafaţa tălpilor de fundaţii trebuia să transmită o presiune uniformă pe toată suprafaţa clădirii,- presiunea efectivă să fie mai mică decât presiunea admisibilă a terenului de fundare;- adâncimea de fundare (1,20-1,50m) să ţină cont de fenomenul de îngheţ al terenului; se considera o adâncime de îngheţ de 80 cm; pentru construcţii mai joase, (P+1E) adâncimea de fundare era 1,00-1,20m;-se lua în considerare nivelul apei subterane, poziţia clădirilor învecinate, poziţia canalizărilor şi a conductelor de apă;- baza fundaţiei se lărgea pentru realizarea presiunii corespunzătoare pe teren;-pentru ziduri de împrejmuire până la 2,50m înălţime, adâncimea de fundare era de 0,80-1,00m; peste 2,50m înălţime, adâncimea de fundare se majora la 1,00-1,30m.

Presiunile admisibile ale terenurilor de fundare considerate la dimensionarea fundaţiilor au fost:

-argilă sau marnă umedă............................................1,00-2.00 Kgf/ cm2;-argilă nisipoasă sau marnă uscată (fără apă).............3,00-4,00 Kgf/ cm2;-nisip fin (fără apă)......................................................2,00-3,00 Kgf/ cm2;-nisip grăunţos (fără apă)............................................3,00-4,00 Kgf/ cm2;-pietriş compact în strat de 3-5m................................5,00-7,00 Kgf/ cm2;

Pentru oraşul Bucureşti pe terenul argilos compact, au fost considerate presiunile; -la adâncime de 1,00-3,50m ................................…...2,50-3,00 Kgf/ cm2;-la adâncime mai mare, pe argilă cu nisip fin uscat......,50- 2,50 Kgf/ cm2;-la adâncime pe pietriş cu nisip (cca. 40% pietriş), fără apă...........3,00-3,50 Kgf/ cm2.

Soluţiile de fundaţii considerate, clasificate în funcţie de adâncimea la care se află terenul de fundare şi de modul de transmitere a presiunilor la acesta, au fost:

- a. fundaţii directe: *fundaţii izolate sub stâlpi (figura 3.12), tălpi de fundaţie şi radiere (calculate la o distribuţie uniformă a presiunilor între stâlpi); *fundaţii continue din beton simplu pentru pereţii de zidărie (figura 3.13 );

- b. fundaţii indirecte;

beton de egalizare

grindă de fundaţie

fundaţii izolate din beton armat

Figura 3.12Fundaţii izolate sub stâlpi şi grindă de fundaţie sub peretele de cărămidă

grindă de fundaţie

1 1

1-1

pereţi din zidărie la subsol

stâlpi din beton armat care pornesc din grinzile de beton armat

grindă din beton armat

fundaţii continue din beton simplu

Figura 3.13Fundaţii continue din beton simplu sub pereţii de zidărie ai subsolului

*fundaţii pe puţuri; terenul de fundare se află la 8-12m adâncime şi poate suporta 3- 5Kgf/ cm2; puţurile verticale din beton, au dimensiuni de la 0.80x1.00m la 1,00x2,50m şi sunt poziţionate în zonele mai încărcate ale clădirii; transmiterea încărcărilor la puţuri se face prin grinzi de beton armat pe care sprijină stâlpii de beton armat şi pereţii din zidărie;

*fundaţii pe piloţi bătuţi; terenul de fundare se află la 8-15m adâncime, conţine apă, si nu există imobile în vecinătate; piloţi de lemn (în apă) cu diametru de 0,25-0,30m, bătuţi cu soneta mecanică; piloţi de beton armat fretaţi; *piloţi foraţi; când imobilele vecine ar putea suferi din cauza baterii piloţilor; piloţi realizaţi cu tubaj metalic ce se trage afară şi în care se toarnă beton armat.

O alta soluţie de realizare a infrastructurii a constat în realizarea tuturor pereţilor de la subsol numai din zidărie (îngroşată faţă de parter), cu grinzi deasupra lor. pe care sprijină suprastructura din stâlpi şi grinzi din beton armat. In acest caz fundaţiile sunt continue, cu bloc de beton simplu (figura 3.13).

3.6. Măsurile considerate în anul 1941, spre “a ţine seama de efectul cutremurelor; învăţămintele trase de pe urma cutremurului , din 10 noiembrie 1940”.

Nivelul de cunoaştere ştiinţifică al perioadei respective nu a permis o interpretare corectă a comportării construcţiilor la acţiunea seismului din 10 noiembrie 1940. Majoritatea degradărilor şi avariilor au fost considerate că s-au datorat “viciilor” de construcţie.

Totuşi, după aceea au fost impuse unele măsuri constructive pentru a ridica nivelul de asigurare al construcţiilor la acţiuni seismice. Câteva dintre acestea sunt enumerate mai jos. realizarea zidurilor de caramidă pe muchie (pe cant) numai cu mortar de ciment şi

pe cât posibil folosirea cărămizii celulare cu nut şi feder, legată cu armătură; realizarea de “grinzi de centură” la nivelul plăcii de planşeu , inclusiv pe pereţii de

la casa scării; prevederea de centuri de beton armat de 20-25cm grosime, cu o arie de armătură

de 1% din secţiunea de beton, pe toată lăţimea zidurilor interioare şi exterioare la clădirile cu mai mult de 4 etaje (16 m deasupra solului),

realizarea unui schelet de beton armat sau metalic, calculat pentru încărcări orizontale prescrise, pentru clădirile mai înalte de 4 etaje; pe cât posibil se va realiza un schelet simplu, în care stâlpii să fie continui pe toată înălţimea clădirii;

armarea secţiunilor stâlpilor s-a considerat cu procent minim 1% şi cu etrieri deşi la baza şi capătul de sus al stâlpului; alegerea agregatului pentru beton şi prepararea acestuia va fi îngrijită; verificarea axării pe verticală, a umplerii cofrajelor, iar la clădiri înalte vibrarea betonului cu mijloace mecanice;

realizarea de calcane la podurile înalte de o cărămidă grosime şi cu mortar care să conţină ciment;

ancorarea de zidărie a acoperişurilor ; ornamentele din faţadă să fie legate de zidărie; prevederea numai de buiandrugi din beton armat deasupra golurilor de uşi şi

ferestre, cu o lungime suficientă de rezemare pe zidărie; limitarea folosirii zidăriei americane;

zidăria din cadrele de beton armat realizată cu mortar de var gras- ciment, cu 150-200 kg de ciment la m3 şi eventual şi cu legături din bare orizontale din stâlp, cu diametru de 15-20mm la fiecare metru înălţime ;

ziduri la casa scării de minim 28 cm grosime; la clădirile cu schelet, scările au fost prevăzute ca scări monolite ridicate odată cu

stâlpii; se admit trepte încastrate în ziduri numai la clădiri cu cel mult 3 etaje; prevederea de centuri intermediare de beton armat şi stâlpi de beton la clădiri

înalte sau cu caracter special (săli de teatru, cinematograf, biserici, săli de conferinţă);

interzicerea betonării pe timp friguros, cu pericol de îngheţ.