Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din IasiFacultatea de Constructii si Instalatii

Sisteme neconventionale de planșee si grinzi mixte otel-beton

Ionescu Stefan-LucianInginerie stucturala

Ianuarie 2015

Cuprins

Concept 3

Plansee prefabricate precomprimate cu goluri 4

Delta Beam 5

Girder-Slab® 7

Versa: T Beam® 8

Alte sisteme patentate 9

Bibliografie 14

2

Concept

Grinzile prefabricate precomprimate convenționale, cu formă rectangulară sau "T" întors, utilizate in mod frecvent în prezent la clădiri rezidențiale sau comerciale, sunt înalte, greoaie ți limitate la un raport deschidere- înălțime de aproxmativ 15.

Conceptul constructiv propus, cu grinzi mixte oțel-beton precoprimat este mai zvelt, cu o greutate redusă si poate atinge rapoarte deschidere - înălțime de pâna la 24. Aceste grinzi sunt gandite a fi folosite împreună cu stâlpi prefabricați, dale precomprimate cu goluri ți o monolitizare finală. Obiectivul acestui sistem constructiv este acela de a elimina cât mai multe din limitările betonului precomprimat, având însă în vedere menținerea unor costuri competitive.

Grinda propusă constă într-o jumătate de secțiune "W" conventională, incorporata in partea de sus a unei grinzițoare precomprimate, pe care sprijinaa dalele cu goluri. Betonul de monolitizare este folosit pentru a umple golurile tuturor elementelor.

Analizand avantajele si dezavantajele structurilor din beton armat - pe de o parte - shi ale celor din otel- pe de alta parte - acest sistem i2shi propune sa1 preia ca2t mai multe avantaje shi sa elimine cat mai multe dezavantaje ale sistemelor traditionale, prin urmatoarele caracteristici:

- nu exista zone expuse de otel, pentru a evita neajunsurile expunerii acestuia la foc;- dispunerea materialelor ce face posibila atingerea rapoartelor deschidere-inaltime ale

grinzii de pana la 24, fapt ce elimina spatiile pierdute din cauza grinzilor inalte;- adoptarea imbinarilor ce pot prelua moment incovoietor, in scopul de a reduce

momentul pozitiv al grinzii; - utilizarea betonului prefabricat, cu avantajele sale: calitate a productiei ridicata si

lipsa cofrajelor in santier.

Desi avantajele enumerate mai sus par convingatoare, sistemele mixte otel-beton disponibile pe piata nu intrunesc le intrunesc pe toate. In continuare, vom face o trecere in revista a celor mai utilizare sisteme din categoria celor ne-coventionale.

3

1) Plansee prefabricate precomprimate cu goluri – sistem dezvoltat de Universitatea din Nebraska si utilitat impreuna cu grinzi mixte otel-beton. Planseul este realizat prin monolitizarea mai multor dale prefabricate precomprimate. Cu valori ale incarcarilor uzuale, pentru deschideri de 9x9m se ajunge la o grosime de 40 cm.

Avantajul sistemului este dat in principal de rezistenta sporita la foc si de viteza de executie crescuta. Pe de alta parte, ca un dezavantaj, putem considera ca fiind greutatea mare ce trebuie a fi manipulata cu macaraua, necesitand capacitati de ridicare crescute ale acestora.

4

2) Delta Beam® - sistem constructiv al grinzilor mixte otel-beton compus dintr-o sectiune sudata de otel, cu forma trapezoidala, in cobinatie, in principal, cu planseu precomprimat cu goluri, dar poate fi asociata de asemenea si cu plansee monolite.

Aceste grinzi pot fi folosite impreuna cu stalpi sau pereti din beton armat. Conexiunea cu stalpii este pe cat posibil simplificata, constand fie in console la nivelul stalpilor, fie in suruburi de ancoraj.

In cazul folosirii impreuna cu stalpi micsti otel beton sau doar din otel, imbinarile pot fi atat sudate, cat si cu suruburi.

5

Delta Beam® asociata cu dale precomprimate cu goluri este poate cea mai frecventa utilizare a sistemului. In aceasta configuratie se pot atinge deschideri de pana la 12x12 m, cu inaltimile sectiunii cuprinse intre 200 si 500 mm. Golurile dalelor pot fi utilizate de asemenea pentru incorporarea instalatiilor inainte de monolitizare.

Asocierea cu plansee prefabricate de tip filigran conventionale este de asemea posibila. Planseele pot avea atat forme rectangulare, cat si curbe.

Producatorul acestor sisteme pretinde ca gradul de rezistenta la foc se situeaza la nivelul R120, ceea ce inseamna o rezistenta de doua ore la foc.

Dintre dezavantajele sistemului putem aminti: necestiatatea, la deschideri mari, de dispunere a popilor sub grinda, chiar din timpul montajului si faptul ca unul dintre elementele grinda sau stalp va fi intotdeuna dicontinuu in zona imbinarilor.

6

3) Girder-Slab® este un sistem constructiv care presupune asocierea de aceasta data a unei grinzi cu sectiune speciala, cu un planseu prefabricat precomprimat.Ceea ce este interesant la aceste grinzi de otel este modul de comportare, dar mai ales modul de fabricatie, ilustrat in figura de mai jos.

Deschiderile uzuale ale grinzilor sunt cuprinse intre 6 si 8 metri, dar cu inaltimi d pana la 25 cm. Din aceste motive sunt preferate pentru cladirile rezidentiale.

Vedere de ansamblu a sistemului

7

4)Versa: T Beam® - sistem similar cu Delta Beam®, diferit insa prin sectiune grinzii de otel folosite. Astfel, sectiunea are forma unui canal, de care sunt sudate gujoanele, pentru a favoriza conlucrarea cu betonul. Suplimentar, sunt dispuse armaturi longitudinale si transversal pentru a mari capacitatea portanta a grinzii.

Versa: T Beam® se recomanda a se folosi impreuna cu dale prefabricate din beton precomprimat cu goluri, grosimea uzuala fiind de 20 cm. Se pot folosi insa si alte solutii de planseu, precum planseu mixt otel-beton. Din nou, trebuie mentionat avantajul ca se elimina necesitatea cofrajelor, cu toate ca sistemul trebuie sustinut cu popi inainte de monolitizare. Rezistenta la foc a grinzilor prescrisa de producator este de asemenea de 2 ore.

Versa: T Beam®+ dale precomprimate cu goluri

Versa: T Beam® + planseu mixt otel-beton

Asemeni grinilor mixte conventionale, Versa: T Beam® sunt proiectate pentru doua situatii de incarcare: faza de executie si faza de exploatare.

8

Pentru faza de executie, pentru a permite realizarea conlucrarii dorite, se recomanda dispunerea popilor la aproximativ 2-2.5 m, pentru evitarea deformatiilor excessive in aceasta etapa.

In faza de exploatare, sistemul lucreaza ca un tot unitar, cu rigiditate suficienta si in plan transversal. Conlucrarea intre beton si otelul structural este esentiala data fiind configuratia grinzii. Punctul slab al solutiei cu gujoane sudate este fixarea acestora in beton, imbunatatita acum prin confinarea betonului cu ajutorul armaturilor transversale.

5) Alte sisteme patentateExista numeroase brevete de inventie in domeniul elementelor mixte otel-beton. Unul

dintre cele mai interesante a fost obtinut in anul 2008 in Statele Unite ale Americiii. Acesta propune un sistem cu stalpi in intregime prefabricati si prevazuti la partea

superioara cu un capitel extins. Cea mai mare configuratie descrisa consta intr-o deschidere intre stalpi de 15 m, acestia avand capitelul de 60 cm grosime iar in plan fiind extins cu 30 cm fata de fiecare latura a stalpului. Pe aceste capiteluri reazema elemente prefabricate de planseu, imbinate in rosturi, pentru conlucrare.

9

Pornind de la acest concept, solutia a fost imbunatatita prin introducerea unor grinzi mixte otel-beton. Acestea au fost create prin taierea unor grinzi cu talpi late in doua jumatati, ca in figura de mai jos.

Aceste jumatati de sectiune au fost mai apoi incorporate in grinzi precomprimate de beton. Profilul taieturii grinzii nu are alt rol decat acela de a permite instalatiilor si echipamentelor de a trece prin grinda. Varianta de planseu este identica cu ca din conceptul de baza.

Ceea ce este interesant la acest sistem este dispunerea materialelor in mod complet diferit fata de grinzile mixte otel-beton conventionale. Astfel, intinderea de la partea inferioara provocata de momentele pozitive este preluata de armatura de precomprimare, iar sectiunea de otel va prelua tensiuni de compresiune. Comportamentul defectuos la compresiune al sectiunii zvelte de otel va fi prevenit prin inglobarea acesteia in beton.

10

Conlucrarea cu planseul se realizeaza ca in figura de mai jos:

Cadrele construite in acest sistem sunt gandite sa preia momentele incovoietoare din incarcarile laterale. Asadar si imbinarile trebuie astfel proiectate sa fie capabile sa reziste acestor solicitari. Se practica de asemenea, ca stalpii sa fie continui, preferandu-se discontinuitatea grinzilor. In acest caz, acele capiteluri ale stalpilor devin acum niste console. Inaltimea uzuala a stalpilor este de 3 etaje, din considerente de dificultate in manipulare.

11

Montajul cadrelor prefabricate

12

Armaturi dispuse la partea superioara pentru preluarea momentelor negative

Inglobarea armaturilor in betonul de monolitizare

13

Bibliografie

1) Nathan de Wit, A Composite Structural Steel and Prestressed Concrete Beam for Building Floor Systems, University of Nebraska – Lincoln, 2012

2) Eliya Henin, Efficient precast/prestressed floor system for building construction, University of Nebraska – Lincoln, 2012

3) www.peikko.com

4) www.diversakore.com

5) www.girder-slab.com

14