Reabilitarea si consolidarea structurilor metaliceStudiu de caz: Reabilitarea unei hale industriale

1. Consideratii generale

In cele mai multe cazuri, remedierea defectelor constructiilor constituie, in general, o problema complexa. In multe situatii apar elemente impuse de starea in care se afla constructia, de defectele care se manifesta, de natura si de rolul partilor constructiei atinse de defecte.

Expertul, chemat sa dea solutia de remediere, sa aduca o constructie la starea normala, corespunzatoare scopului pentru care a fost proiectata, se gaseste in fata mai multor probleme pe care trebuie sa le rezolve. Trebuie sa vada constructia, sa o examineze si in multe cazuri sa recurga la analize, la incercari de laborator, etc. Nu este posibila stabilirea unei solutii de reabilitare fara sa se cunoasca toate defectele, vizibile sau ascunse, dar si cauzele reale care au provocat aceste efecte. Efectele sunt urmarea unor cause si prin urmare, cauzele trebuie eliminate in primul rand.

Proiectarea sau numai stabilirea solutiei de reabilitare sau consolidare a unei constructii, este in general o problema care difera de proiectarea unei constructii noi. In acest caz, constructia exista, dar este ajunsa intr-o stare in care nu-si mai poate indeplini functiile pentru care a fost proiectata. Este necesara intelegerea cauzelor care au adus constructia in aceasta stare, precum si stabilirea gradului de extindere al degradarii.

In multe situatii este necesar sa se examineze proiectul constructiei, conceptia, pentru a se vedea daca acestea nu sunt cele care au favorizat producerea avariilor. Examinarea proiectului se impune nu numai pentru adoptarea solutiei de remediere locala a defectului, dar in al doilea rand si pentru a vedea daca aceasta remediere este posibila fara sa afecteze alte parti ale constructiei.

Se va intocmi in cele din urma o documentatie tehnica de reabilitare sau consolidare a constructiei, in care este descrisa constructia, sunt aratate degradarile, abaterile constatate, se prezinta solutiile adoptate cu justificarile de rigoare si detaliile necesare executiei lucrarilor. Se vor prezenta tehnologiile de executie , abaterile admisibile la executie fata de proiect dar si modalitatile de control de calitate pentru materialele folosite.

2. Tipuri de interventie

1

Intervenţiile asupra construcţiilor cu elemente din oţel sunt necesare când acestea nu mai îndeplinesc exigenţele de rezistenţă şi stabilitate.

Intervenţiile se pot grupa, funcţie de amploarea acestora, astfel :- Reabilitările care constau în totalitatea intervenţiilor necesare aducerii construcţiei

la parametrii ceruţi de beneficiar cu respectarea condiţiilor de siguranţă prevăzute delege ;

- Reparaţiile care constau în intervenţii prin care performanţele structurii sunt readuse la parametrii iniţiali ;

- Consolidările care constau în intervenţii prin care sunt mărite performanţele structurii faţă de cele avute iniţial.

Reparaţiile sunt intervenţii care se aplică numai elementelor care şi-au pierdut o parte din performanţe prin apariţia unor defecte.

Reparaţiile sunt funcţie de natura solicitării din bare sau îmbinari cât şi de naturadefectului depistat.La alegerea soluţiei de intervenţie se va avea în vedere următoarele :

- stabilirea cauzei care a podus defectul ;- descărcarea parţială de eforturi a elementului înainte de a se face intervenţia

(îndepărtarea încărcărilor variabile şi cvasipermanente, introducerea de reazeme intermediare active) ;

- menţinerea poziţiei centrului de greutate şi a axialităţii barei ;- stabilirea proprietăţilor fizico-mecanice şi sudabilităţii oţelului (materialului de

bază).Repararea (şi consolidarea) elementelor din oţel şi a prinderilor acestora se poate

efectua utilizând ca mijloace de realizare sudarea sau prinderile cu şuruburi.

Consolidările sunt intervenţii care se aplică elementelor, prinderilor acestora şistructurilor de rezistenţă, care necesită sporirea capacităţii de rezistenţă, cerută în general decondiţii noi, mai severe decât cele avute în vedere la proiectarea şi executarea structurii, dar şi din motive de întreţinere defectuoasă care au condus la pierderi de material (ex. ruginire, diferite improvizaţii). Consolidarea elementelor din oţel şi a prinderilor acestora se poate face prin:

- adaugare de material; Metoda constă în adăugarea de platbande, profile sau subansamble aplicate pe toată lungimea sau pe o porţiune a elementului care trebuie consolidat;

La aplicarea metodei trebuie respectate anumite condiţii tehnice generale : distribuirea materialului adăugat secţiunii originare se face în funcţie de

natura şi mărimea solicitărilor, astfel încât elementul consolidat să se comporte optim sub încărcările aferente, atât din punct de vedere al tensiunilor, cât şi al stabilităţii generale şi locale: la elementele încovoiate materialul se adaugă la tălpi spre a creşte momentul de inerţie al secţiunii,

2

în cazul elementelor comprimate materialul trebuie adăugat cât mai departe de centrul de greutate, astfel încât să se mărească raza de inerţie a secţiuniiconsolidate, în cazul secţiunilor supuse la forţe tăietoare mari, materialul se adaugă pe direcţia acestora, consolidările barelor la flambaj pot fi aplicate numai în zona central a elementelor,etc. ;

materialul adăugat se dispune în mod simetric faţă de secţiunea existentă pentru a se evita apariţia eforturilor suplimentare datorate excentricităţilor ;

între materialul adăugat şi cel existent trebuie asigurată o conlucrare perfectă prin utilizarea sudurii sau şuruburilor, prinderea cu sudură fiind preferabilă întrucât asigură o durabilitate sporită faţă de şuruburi care se slăbesc în timp, dând naştere la deplasări ale elementelor secţiunii unele faţă de altele ;

dacă distribuirea materialului adăugat poate crea variaţii bruşte de secţiune sau o schimbare a raportului de rigidităţi între componentele structurale, aceste aspect trebuie luate în considerare la efectuarea calculelor ;

la confecţionarea şi punerea în operă a materialului de adaos, se respectă aceleaşi reguli ca şi pentru construcţiile noi. În mod particular la aplicarea acestei metode, elementele de adaos trebuie ca să fie confecţionate în ateliere, în strânsă concordanţă cu măsurătorile efectuate la faţa locului, astfel încât să se obţină un contact perfect al pieselor de adaos pe conturul elementelor existente ;

- schimbarea schemei statice; Prin schimbarea schemei statice se urmăreşte redistribuirea eforturilor în elementele structurale existente şi transferul surplusului de efort asupra unor elemente nou introduse în sistem. Aplicarea metodei poate consta fie în schimbarea gradului de nedeterminare al structurilor existente, prin transformarea celor static determinate în structuri static nedeterminate sau prin mărirea gradului de nedeterminare a elementelor static nedeterminate prin introducerea unor reazeme suplimentare, crearea de legături corespunzătoare, introducerea unor bare noi în structurile triangulate, etc.

Având în vedere că acest tip de consolidare se execută asupra elementelor aflate sub sarcină, la aplicarea metodei trebuie respectate căteva condiţii care să-i asigure calitatea şi eficienţa :

structura sau elementul structural supuse schimbării schemei statice trebuie să fie descărcate în cea mai mare măsură posibilă, pentru ca elementele nou introduse să se încarce într-o măsură cât mai mare, direct proporţională cu reducerea eforturilor în barele existente ;

calculul static se efectuează în două etape : în etapa 1, pe schema neconsolidată se calculează eforturile în elementele existente din încărcările existente în acel moment, iar în etapa a II-a, pe schema statică consolidată se calculează pe de o parte suplimentul de efort în barele existente, iar pe de

3

altă parte efortul din barele noi, ambele provenind din încărcările suplimentare celor existente în momentul aplicării consolidării ;

detaliile constructive trebuie să corespundă schemei statice nou adoptate ; prin schimbarea schemei statice nu trebuie să fie induse în nici un element

structural, în nici o fază a procesului de consolidare, tensiuni pe care acestea să nu le poată prelua ;

dacă prin schimbarea schemei statice apare riscul pierderii stabilităţii elementelor, trebuie luate măsuri de asigurare corespunzătoare împotriva producerii acestui fenomen.

Consolidarea elementelor prin modificarea schemei statice se pretează elementelor triangulate şi grinzilor indiferent de alcătuire.

- descarcarea elementelor prin sprijinire; Metoda constă în transferul încărcărilor asupra unor elemente noi, care să le preia integral încărcările. În funcţie de particularităţile construcţiei şi de natura efortului care trebuie preluat, scoaterea de sub efort a unui element ce urmează a fi înlocuit se poate realiza în diverse moduri. Cea mai simplă soluţie constă în realizarea de reazeme adiacente capetelor elementului deteriorat, prin intermediul unor vinciuri cu şurub sau prese hidraulice aşezate pe eşafodaje sau alte elemente care să poată prelua efortul.

- consolidarea elementelor metalice cu beton; Metoda de consolidare constă în umplerea cu beton sau înglobarea în beton a elemetelor verticale sau uşor înclinate, aplicându-se în special stâlpilor. Prin aplicarea metodei se obţine mărirea capacităţii de rezistenţă şi rigidităţii elementului consolidat. Cămăşuirea stâlpilor metalici se realizează prin îmbrăcarea acestora în beton armat.

- Imbunatatirea comportarii elementelor la pierderea stabilitatii generale; Metoda constă fie în prevederea de legături care reduc lungimile de flambaj ale elementelor comprimate, încovoiate sau comprimate şi încovoiate, fie în modificarea secţiunii elementelor comprimate, încovoiate sau comprimate şi încovoiate astfel încât să se comporte mai bine la stabilitate generală. Prin utilizarea metodei se obţine îmbunătăţirea rigidităţii întregii structuri. Metoda se utilizează numai dacă sunt îndeplinite două condiţii: pe de o parte elementele care şi-au pierdut stabilitatea trebuie să fie solicitate în domeniul elastic, iar pe de altă parte, prevederea de legături sau modificarea secţiunilor trebuie să se realizeze după descărcarea elementului afectat de pierderea stabilităţii şi revenirea lui la poziţia iniţială. Dacă elementele au fost deformate în domeniul plastic, acestea se înlocuiesc.

3. Studiu de caz: Reabilitarea unei hale industriale

4

3.1. Descrierea constructieiO hala metalica avea structura de rezistenta fixa, cu sarpanta acoperisului si

grinzile cailor de rulare din otel, iar stalpii din beton armat preturnati la santier si montati in fundatii pahar in care erau incastrati pe ambele directii, atat transversal, cat si longitudinal halei. Hala era echipata cu poduri rulante vand capacitatea de ridicare de 20tf si regimul de exploatare mediu.

Hala avea deschideri de 24 m si doua tronsoane pe lungime de cate 72 m fiecare, despartite printr-un rost de dilatare. Stalpii de pe sirurile marginale erau dispusi la o distanta de 6 m, iar cei de pe sirul central la o distanta de 12 m. Traversa acoperisului era de 6 m, fermele rezemand pe capatul superior al fiecarui stalp marginal, iar pe sirul central o ferma rezemand pe capatul superior al unui stalp si urmatoarea pe o grinda cu zabrele longitudinala de 12 m deschidere.

Acoperisul era prevazut cu contravantuiri orizontale, transversale si longitudinale si sustinea o invelitoare usoara termoizolanta. Pe sirul central de stalpi era amplasat un portal, in zona centrala a fiecarui tronson de hala.

Stalpii de pe sirurile marginale au fost proiectati astfel incat sa poata prelua prin incovoierea lor solicitarile longitudinale date prin actiunea vantului si de actiunea podurilor rulante, grinzile de rulare avand blocare corespunzatoare la rezemarea pe fiecare stalp din beton si la fel fermele acoperisului; stalpii de pe sirul central, datorita amplasarii cate unui portal in fiecare transon de hala, nu aveau armatura necesara preluarii solicitarilor longitudinale prin incovoiere, grinzile de rulare avand blocaje numai la rezemele de pe stalpii adiacenti traveii cu portal.

Grinzile longitudinale ale sarpaantei acoperisului rezemau pe stalpii din beton armat prin intermediul unor console cu sectiunea in T sudate de placi metalice ancorate in betonul partii superioare a stalpilor de pe sirul central.

Grinzile de rulare rezemau pe console care faceau parte din structura stalpilor, iar prinderile in plan vertical si orizontal intre grinzile de rulare si stalpi erau realizate cu table sudate de grinzi si de placi metalice ancorate in in betonul stalpilor. Prinderea portalului de pe sirul central de stalpi era realizate cu placi metalice prinse in suruburi ancorate in stalpi.

Acatuirea generala a structurii va fi vazuta in anexa prezentata la sfarsitul acestei documentatii.

Rezemarea grinzilor longitudinale si a fermelor pe stalpii din beton este prezentata in figura de mai jos:

5

1- Stalp ; 2-3 Placi metalice inglobatre in beton; 4- Consola; 5- Grinda longitudinala; 6- Ferma.

In continuare va fi prezentata prinderea portalului de stalpul din beton.

6

3.2. Defecte aparute in exploatareDupa circa 5 ani de exploatare, dupa o iarna mai bogata in caderi de zapada, au

aparut unele efecte constand in: valoarea inimilor unora dintre consolele de rezemare ale grinzilor longitudinale de pe sirul central de stalpi (figura IX 6.4), deformarea placilor metalice de la prinderea portalului de stalpii din beton de pe sirul central (figura IX 6.5), aparitia unor fisuri orizontale pe fetele stalpilor centrali paralele cu planul cadrului transversal , la partea inferioara a stalpilor adiacenti traveei cu portal etc.

7

Voalarea inimii consolei.

Indoirea tablei de prindere a portalului.

3.3. Cauzele aparitiei acestor defecteVoalarea inimii la unele console pe care rezemau grinzile longitudinale s-a

datorat, pe de o parte, unei incarcari sporite fata de cea luata in considerare in calculele de proiectare si anume, datorita realizarii unei invelitori cu greutate mai mare decat cea prevazuta si aparitiei unei aglomerari de zapada in zona luminatoarelor de pe acoperis mai mare decat cea prescrisa in normele valabile la data proiectarii, sip e de alta parte, sensibilitatii la pierderea stabilitatii locale a consolei, a carei inima nu era rigidizata si nu era bordata la partea inferioara. De altfel, sectiunea in T, adoptat pentru consolele de rezemare a grinzilor longitudinale era deosebit de sensibila si la aparitia excentricitatilor de rezemare a grinzilor in plan transversal. Asemenea rezolvari au creat neplaceri si in alte situatii asemamnatoare.

8

Deformarea placilor metalice de prindere a portalului d stalpul din beton s-a datorat faptului ca placile, relativ subtiri, nu erau capabile sa transmita in bune conditii, prin incovoiere, solicitarea de intindere din bara de portal la suruburile de ancorare din stalpul de beton si s-au deformat. Aparand aceste deformatii, portalul nu si-a mai putut indeplini functia de preluare a solicitarilor longitudinale si de transmitere a acestora la fundatii, acest rol revenind stalpilor din beton armat de pe sirul central care marginea traveea de portal. Acesti stalpi au preluat si transmis la fundatii solicitarile dirijate longitudinal constructiei prin incovoierea lor in plan transversal cadrului, solicitor la care nu erau calculati; in aceste conditii au aparut fisurile de pe fetele orizontale de pe fetele laterale paralele cu planul cadrului transversal in zona inferioara a stalpilor traveii de portal.

3.4. Remedierea defectelor aparuteConsolele de rezemare a grinzilor longitudinale au fost consolidate prin

amplasarea unei talpi inferioare sudata de inima consolei si de placa ancorata in stalpul de beton; s-au prevazut de asemenea, rigidizari transversale sub punctual de transmitere al reactiunii grinzii longitudinale. Consolele care au suferit deformatii plastic au fost inlocuite cu altele noi avand alcatuirea constructive corespunzatoare consolelor consolidate.

Pentru efectuarea lucrarilor a fost nevoie de ridicarea de pe reazem si sprijinrea temporara a grinzilor longitudinale la fiecare capat in parte.

Prinderile portalului de stalpii din beton s-au consolidate prin inlocuirea placilor deformate cu eltele noi, de grosime ceva mai mare, pe care s-au prevazut unele rigidizari sudate, capabile sa alcatuiasca elemente in stare sa transmita solicitarile de intindere din bara de portal la suruburile de ancorare din stalpul de beron armat.

Ulterior acestor lucrari de consolidare, constrcutia s-a comportat bine in exploatare.

Consolidarea consolei pe care rezema grinda longitudinala.

9

1-Talpa suplimentara; 2-Rigidizari.

Intarirea placilor de la prinderea portalului.1-Rigidizari.

Bibliografie:

1. P100-3/2008;2. “Calitatea si siguranta constructiilor. Evitarea, depistarea si remedierea

defectelor cu exemple” – Popescu Victor, Potarniche Nicolae, Chesaru Eugen.3. Curs – Constructii Metalice;

10