Sef Lucrari Dr. Ing. Cristian Rusanu

Cursul 1 - Introducere in structuri

compozite beton-otel

Tipuri de structuri clasice Constructii de beton armat:

Avantaje Rezistenta buna la foc

Rezistenta buna la agresivitatea mediului

Cost scazut al materialelor

Dezavantaje Raport greutate/rezistenta mic

Timp de executie ridicat

Constructii din otel: Avantaje

Raport greutate/rezistenta bun

Elemente mai zvelte

Dezavantaje Costul materialului este mai ridicat

Rezistenta scazuta la foc

Necesita protectie anticoroziva

Structuri compozite

Structurile compozite combina avantajele celor doua

materiale:

Rezistenta buna la compresiune a betonului cu rezistenta mare

la intindere a otelului

Elementele metalice sunt in general zvelte si sensibile la flambaj

iar betonul poate sa le impiedice sa flambeze

Betonul protejeaza otelul impotriva coroziunii si sporeste

rezistenta la foc a elementelor metalice

Otelul aduce ductilitate structurii

Evolutia folosirii elementelor compozite

- Grinzi compozite -

La planseele cu deschideri mari, folosirea grinzilor metalice este

mult mai ieftina decat a celor de beton, dar pana in anii 1950

grinzile metalice erau calculate sa preia singure greutatea placii si a

incarcarilor . Placa si grinda lucrau independent.

Aparitia conectorilor de forfecare in anii 1950 a facut posibila

conectarea grinzii cu placa => grinda compozita

Grinda ne-compozita Grinda compozita

Evolutia folosirii elementelor compozite

- Placi compozite - Folosirea grinzilor metalice duce la rapiditate in executie.

Eliminarea pentru placa de planseu se poate realiza prin folosind un “cofraj pierdut” din tabla care are doua roluri:

Rol de cofraj in executie

Rol de armatura inferioara pentru placa

Evolutia folosirii elementelor compozite

- Stalpi compoziti -

Inglobarea stalpilor in beton s-a facut la inceput pentru sporirea rezistentei la foc, dar profilele se calculau ca elemente de metal simple

Inglobarea profilelor metalice implica si o reducere a zveltetii efective si cresterea rigiditatii la sarcini laterale

Codurile moderne includ aportul betonului in evaluarea rezistentei si stabilitatii stalpilor compoziti

Folosirea cofrajului se poate elimina in cazul sectunilor tubulare.

Aspecte privind utilizarea structurilor

compozite

Proiectarea structurala nu inseamna numai optimizarea

rezistentei, rigiditatii si ductilitatii, ci si considerarea

urmatoarelor aspecte

aspecte arhitecturale

aspecte economice

aspecte functionale

aspecte tehnologice

Aspecte arhitecturale Folosirea structurilor compozite ofera posibilitatea

combinarii mai multor tipuri de elemente compozite si, implicit, o gama larga de solutii arhitecturale.

Din punct de vedere arhitectural cele mai importante avantaje ale folosirii elementelor compozite sunt:

Reducerea inaltimii grinzilor

Deschideri mari

Placi cu grosime redusa

Stalpi zvelti

Aspecte economice Reducerea dimensiunilor elementelor structurale si viteza de executie

mai mare in raport cu structurile de beton armat pot duce la reduceri de cost insemnate.

Reducerea dimensiunilor elementelor de planseu are urmatoarele avantaje: Reducera inaltimii de planseu=> reducerea inaltimii de etaj=> reducerea

inaltimii totale a structurii=> reducerea suprafetelor inchiderilor Deschideri mai mari cu acceasi inaltime, comparate cu alte sisteme

constructive=> spatii utile mai mari si flexibilitate in exploatare

Manopera mai simpla si timpul de executie redus aduc urmatoarele avantaje economice: Economie de cost Costuri reduse de finantare Darea in folosinta mai devreme

Aspecte functionale

Folosirea elementelor compozite nu mai implica realizarea

unei protectii la foc costisitoare ca in cazul structurilor

metalice.

Structurile compozite sunt adaptabile si se pot modifica usor

pe durata de viata a constructiei, mai alest in cazul

structurilor in cadre.

Datorita spatiului dintre placa si talpa inferioara a grinzii,

instalatiile se pot modifica, iar in cazul folosirii unor ferme

metalice flexibilitatea este aproape totala

Aspecte tehnologice Folosirea elementelor compozite la plansee are urmatoarele

avantaje: Tabla cutata asigura o platforma de lucru pentru celelalte activitati Rolul de cofraj al tablei cutate care reazema pe grinzi si eliminarea, in

unele cazuri, a popilor de sprijinire. Tabla cofranta are si rol de armatura inferioara iar pentru preluarea

momentelor negative si a eventualelor eforturi din contractie si variatii de temeperatura este necesara armatura doar la partea superioara

Viteza si simplitatea in executie. Tabla cutata este usoara si se poate transporta, depozita si monta usor pe santier.

Elemente structurale cu calitate controlata.

Comparatii cu alte sisteme

constructive

Structurile compozite au o rezistenta si o rigiditate mai mare decat

structurile metalice de aceleasi dimensiuni

Grinda compozita Grinzi metalice

Sectiune IPE 400 IPE 550 HEB 360

Inaltime element 560 710 520

Nivel de rezistenta 100% 100% 100%

Greutate 100% 159% 214%

Inaltime element (%) 100% 127% 93%

Rigiditate 100% 72% 46%

Comparatii cu alte sisteme

constructive

Elementele compozite sunt in general mai mici decat cele

din beton armat

Procedee de constructie Executia unei structuri compozite in mod economic poate fi

impartita in urmatoarele operatii: Mai intai se ridica o structura conventionala de otel in cadre, contravantuita

sau nu. Daca se folosesc sectiuni casetate pentru stalpi, carcasele de armatura se pot monta deja din fabrica.

De asemenea pot fi pregatite din fabrica toate consolele scurte, placile de prindere si conectorii verticali (bolturi fara cap sau cuie impuscate) pentru transferul incarcarii intre otel si beton, pentru a mari astfel viteza de executie pe santier. Dupa montarea stalpilor grinzile de otel sunt montate articulta pe acestia.

intre grinzi sunt dispuse table cutate sau predale prefabricate de beton, servind si de cofraj si ca platforma de lucru. in final, prin betonarea placilor si a stalpilor intr-o singura etapa se rigidizeaza ansamblul iar imbinarile devin din articulatii imbinari semicontinue.

Procedee de constructie

Elemente de constructii

Placi

Placi de beton armat

in functie de complexitatea formei placii, de timpul disponibil si

de capacitatea atelierului de prefabricare, placile de beton pot fi

produse:

Pe santier folosind cofraje

Folosind predale

Folosind elemente prefabricate de placa.

Elemente de constructii

Placi Placi compozite

Se folosesc atat tabla profilata obisnuita, cat si tabla speciala pentru a realiza efectul compozit.

Intr-o placa compozita sunt mai multe posibilitati de a asigura conlucrarea intre otel si beton: Adeziunea chimica este fragila si nesigura, drept care nu trebuie

considerata in calcul Aderenta prin frecare nu este capabila sa transmita forte taietaoare

mari Aderenta mecanica prin protuberantele de pe tabla Ancorarea la capete cu bolturi, corniere sau prin deformarea

tablei la capete aduce o incarcare foarte concentrata la capete si deci o crestere brusca de la otelul simplu la capacitatea compozita

Elemente de constructii

Placi

Placi compozite

Aderenta prin frecare la placi compozite

Aderenta mecanica la placi compozite

Elemente de constructii

Placi

Placi compozite

Ancoraje de capat pentru placi compozite

Elemente de constructii

Grinzi

Intr-o grinda compozita in zona de moment pozitiv placa de beton

este activata in compresiune prin conectorii de forfecare.

In aplicatiile practice cele mai folosite sunt bolturile cu cap

(conectori Nelson). Avantajul este combinarea unei rigiditati

relativ mari cu o capacitate de deformare relativ mare.

Elemente de constructii Grinzi – Conectori de forfecare cu cap

Elemente de constructii Grinzi – Conectori de forfecare Hilti X-HVB

Elemente de constructii

Grinzi

Grinzi compozite tradiţionale Grinzi compozite inovante

Elemente de constructii

Stalpi

Stalpii compoziti sunt de obicei folositi acolo unde prezenta

fortelor axiale mari este combinata cu dorinta de a avea sectiuni

mici.

Deoarece stalpii compoziti pot fi prefabricati sau cel putin

pregatiti in atelier, timpul de executie poate fi redus drastic

comparativ cu stalpii de beton armat turnati in situ.

Un avantaj decisiv asupra stalpilor metalici este rezistenta inalta la

foc a stalpilor compoziti fara a lua masuri speciale.

Elemente de constructii

Stalpi

Pentru sectiunea de otel sunt potrivite profile laminate I precum si

sectiune tubulare (rectangulare sau circulare).

Sectiunile I pot fi inglobate total sau partial, cand sunt umplute cu

beton numai zonele dintre inima si talpi.

Sectiunile tubulare au avantajul ca nu mai este necesar cofrajul,

sunt preferate de arhitecti si se comporta foarte bine la foc.

Elemente de constructii

Noduri Nodurile structurilor metalice si compozite au fost tratate ca fiind parte integranta a

stalpului.

Abordarea moderna consta in considerarea nodului ca element separat, idealizarile de tip

articulatie si nod rigid nefiind adecvate pentru descrierea reala a comportarii

Nodurile trebuie evaluate tinand cont de urmatoarele aspecte:

Rigiditate:

articulatie - un nod cu rigiditate la rotire nula

nod rigid – un nod care are rigiditate considerata infinita la moment încovoietor (asigura

continuitatea perfecta a rotaţiilor)

Nod semirigid - Între aceste doua extreme vorbim de noduri semirigide.

Capacitate la încovoiere :

Articulatie – capacitate la moment egala cu zero

Nod cu rezistenta completa – capacitatea la moment a nodului este mai mare decat cea a elementelor pe

care le imbina

Nod cu rezistenta partiala.

Capacitate de rotire (ductilitate)

Definitii si terminologie Caracteristica forfecare-lunecare a unui singur conector

Relaţia idealizata dintre forţa taietoare şi deplasarea unui conector duce la trei

caracteristici dominante:

Rigiditate iniţiala

Rezistenţa

Capacitate de deformare

Lunecarea este definita ca deplasarea relativa la interfaţa între cele doua

materiale conectate în direcţia axei

Caracteristica forfecare-lunecare a unui singur

conector

Comportarea globala a grinzii compozite este influenţata decisiv

de cele 3 caracteristici susmenţionate:

Gradul de conectare, pe lânga numarul de conectori, este

influenţata direct de rezistenţa unui conector

Interacţiunea la forfecare depinde de rigiditatea iniţiala a

conectorilor utilizaţi şi de numarul lor.

Capacitatea de deformare a întregii grinzi este limitata de cea a

conectorului individual.

Gradul de conectare (rezistenta)

Gradul de conectare da raportul între capacitatea portanta a conexiunii de

forfecare şi aceea a secţiunii compozite însăşi, care este dominata de partea cea

mai slaba (fie beton fie oţel).

Presupunând comportare perfect plastica, gradul de conectare h se poate defini ca raportul intre capacitatea conectorilor la forfecare si valoarea minima a rezistentei

celor doua componente din elementul compozit ( rezistenta otelului sau a

betonului)

𝜂 =𝑁𝑖,𝑅𝑑𝑁𝑅𝑑,𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛

𝜂 =𝑁𝑖,𝑅𝑑𝑁𝑅𝑑,𝑜𝑡𝑒𝑙

𝑁𝑖,𝑅𝑑 = 𝑇𝑖,𝑅𝑑𝑛𝑟.𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖

Gradul de conectare (rezistenta)

Nici o conectare (h=0) înseamna ca ambele parţi lucreaza complet separat.

În cazul conexiunii integrale (h>100%) este suficienta capacitate portanta

asigurata de dornuri pentru a atinge cedare secţiunii însăşi (curgerea tuturor

straturilor).

Între aceste doua limite extreme vorbim despre conexiune parţiala (0<h<100%)

care de obicei duce la un optim de consum de materiale şi de cost.Pentru

conexiune parţiala, capacitatea portanta a grinzii este limitata de cedarea

conexiunii.

Interactiune la lunecare (rigiditate)

Daca interactiunea la lunecare este completa (rigida) sau incompleta (semi-rigida,

slaba) depinde de conectori si de numarul lor raportat la rigiditatea partilor

compozite (grinda metalica, placa de beton)

Interactiunea ideal rigida inseamna ca nu exista deplasare relativa (lunecare) între

partile compozite la interfaţa lor. Deoarece conectorii acţioneaza ca resoarte

paralele, o crestere a gradului de conectare merge mana-n mana cu o crestere a

interactiunii la lunecare (reducere a lunecarii). Deci o conexiune infinit rigida nu

poate fi posibila decât pentru conectori infnit rigizi sau un numar infinit de

conectori.

Termenul „interactiune completa” trebuie inteles ca situatia in care deplasarile sunt

suficient de mici încat efectul lor poate fi neglijat.

Interactiune la lunecare (rigiditate)

Pentru interacţiunea incompleta, ca termen legat de starea limita de serviciu,

deplasarile relative la interfata grinda – placa trebuie luate în considerare ca un

salt în distribuţia de deformatii. Ipoteza Bernoulli a secţiunilor plane este valida

numai pentru cele doua parti, otel ai beton, separat, dar nu si pentru sectiunea

compozita in totalitate.

Interactiune la lunecare (rigiditate)

Pentru interacţiunea incompleta lunecarea este acompaniata de o cerşterii a sageţii.

În EC4 acest efect este luat în considerare de o maniera aproximativa prin interpolare liniara

depinzând de gradul de conectare:

da este sageata grinzii simple de oţel

dc este sageata grinzii compozite presupunând o conexiune infinit rigida

h este gradul de conectare

n depinde tipul de acţiune de forfecare (0,3 sau 0,5)

𝛿

𝛿𝑐= 1 + 𝜈(1 − 𝜂)(

𝛿𝑎

𝛿𝑐− 1)

Exemple de structuri cu structura compozita

MILLENNIUM TOWER - Viena

55 de teaje

Arie de planseu -1000 m2

Inaltime totala – 202m

Timp de executie -8 luni (2.5 etaje/saptamana)

MILLENNIUM TOWER - Viena

MILLENNIUM TOWER - Viena

MILLENNIUM TOWER - Viena

MILLENNIUM TOWER - Viena

MILLENNIUM TOWER - Viena