Studiu experimental privind îmbinările grinzilor prefabricate cu continuitate de moment

Publicat la 31.10.2019 Scris de Encipedia

Autorii acestui articol sunt Viorel Popa, Mihai Pavel, Eugen Lozincă (UTCB), Andrei Papurcu (UTCB) și Eugen Iovănică (SC Bauelemente SRL).

Lucrarea a fost prezentată la conferința anuală a Asociației Inginerilor Constructori Proiectanți de Structuri (AICPS) din anul 2019 și publicată în numărul 1-2/2019 al revistei AICPS.

Rezumat

Introducere

Cutremurele severe din sursa Vrancea produc deplasări orizontale mari clădirilor amplasate îndeosebi în Muntenia și sudul Moldovei. Deplasările spectrale maxime asociate cutremurului de proiectare depășesc 50 de cm în aceste zone. La cutremurele de intensitate mai redusă, asociate Stării Limită de Serviciu (SLS), codul de proiectare seismică P100-1 (MDRAP, 2013) și standardul european EN 1998-1 (CEN 2004) prevăd protejarea elementelor structurale și nestructurale pentru limitarea degradărilor acestora. La incidența cutremurului de SLS clădirea trebuie să rămână funcțională. Pot fi necesare reparații ale elementelor nestructurale dar perioada de întrerupere a activității trebuie să fie cât mai scurtă și costurile de remediere să fie minime. Pentru limitarea degradărilor la acțiunea cutremurului de SLS, se impun prin proiectare condiții privind rigiditatea structurilor la acțiuni orizontale. Aceste limite se exprimă echivalent prin restricționarea deplasărilor orizontale structurale cauzate de cutremurele de SLS...
Inginerii proiectanți de structuri din România au în față sarcina dificilă de realiza structuri cu rigiditate adecvată la acțiuni seismice orizontale în condițiile păstrării gabaritului elementelor structurale în limite acceptabile din punct de vedere funcțional.
În cazul halelor parter cu elemente prefabricate, alcătuite din beton cu grinzi articulate la capete, sistemul structural are rigiditate relativ redusă. Sub acțiuni seismice orizontale, stâlpii, fixați la bază în fundații pahar, au o schemă statică de consolă verticală fiind încărcați la partea superioară cu forțele orizontale cauzate de oscilația masei de la nivelul acoperișului. Soluția prefabricată este practic singura utilizabilă date fiind deschiderile mari ale grinzilor, înălțimea stâlpilor precum și cerințele privind scăderea costurilor și perioadei de realizare a acestor clădiri. Dispunerea de contravântuiri la nivelul acoperișului pentru realizarea diafragmei orizontale rigide și rezistente crește redundanța structurii dar nu reduce deplasările orizontale ale clădirii. Cerințele de funcționalitate specifice halelor parter au determinat ca înălțimea liberă a spațiului interior să atingă în mod curent 12…16 m, în unele situații depășind și 20 m. Creșterea rigidității acestor structuri se poate face prin creșterea secțiunii transversale a stâlpilor. Această creștere este însă limitată din considerente funcționale, economice și, mai ales, din considerente de gabarit pentru transport și montaj.
Experiența cutremurelor recente din țări cu inginerie seismică avansată arată că desprinderea grinzilor și a componentelor nestructurale care reazemă pe stâlpi reprezintă principala cauză a degradărilor halelor prefabricate parter. La cutremurul din anul 2012 de la Emilia, Italia, cedarea prinderilor grinzilor pe capătul stâlpilor a fost semnalată de mai mulți autori (Liberatore et al. 2013, Bournas et al. 2014). Alți autori au raportat răspunsul seismic slab al halelor prefabricate parter în Turcia la cutremurele din 1999 și 2011 (Posada și Wood 2002, Ozden et al. 2014).
O soluție posibilă pentru realizarea halelor parter cu rigiditate îmbunătățită la acțiuni orizontale o constituie utilizarea structurilor în cadre cu grinzi conectate rigid de stâlpi, asigurând transferul momentului încovoietor pe una sau mai mute direcții. Se pune problema modului de realizare a acestei legături rigide. Pentru a se aplica în proiectare, soluția de îmbinare trebuie să poată îndeplini următoarele cerințe:
- să poată fi realizată cu manoperă redusă, de către 1-2 muncitori (aceștia lucrează la înălțime din nacele);
- să nu necesite lucrări de cofraj extinse și nici adaos de volum mare de materiale puse în operă la fața locului (beton sau mortar);
- să se poată realiza rapid pentru a nu întârzia excesiv ritmul de montaj al elementelor prefabricate;
- să permită realizarea îmbinării pe două direcții (pentru a se putea forma cadre spațiale, bidirecționale);
- să asigure transferul integral al momentului de la grindă la stâlp;
- să permită formarea articulațiilor plastice în stâlpi sau grinzi cu păstrarea nodului în domeniul elastic de comportare;
- să asigure o comportare histeretică stabilă a îmbinării, fără degradări semnificative a rigidității sau capacității de rezistență a acesteia la acțiuni ciclic alternante în domeniul plastic.
Valorile relativ mari ale factorilor de comportare utilizate la proiectare și, implicit, capacitatea mai redusă de rezistență la acțiuni orizontale a structurilor (prin comparație cu capacitatea de rezistență asociată răspunsului elastic) fac ca la incidența cutremurului de proiectare barele longitudinale din grinzi să sufere incursiuni ciclice severe în domeniului plastic de deformații. Pentru realizarea îmbinării rigide se pot utiliza diferite soluții de înnădire pentru armăturile longitudinale. Dacă sunt dispuse în zona plastică a grinzii, acolo unde se așteaptă deformații plastice mari ale barelor de armătură, dispozitivele mecanice de îmbinare cap la cap trebuie să poată asigura transferul eforturilor de la o bară la alta fără cedarea înnădirii chiar și în cazul unor deformații plastice majore ale barelor (Coțofană et al., 2018). Aceasta este o cerință de bază pentru utilizarea dispozitivelor mecanice cap la cap în zonele critice ale elementelor structurale, indiferent de natura acestor dispozitive.
O soluție de îmbinare grindă-stâlp pentru structuri prefabricate cu placă monolit, asigurându-se continuitatea de moment, este reprezentată grafic simplificat în figura 1. Această soluție a fost concepută de către colectivul de proiectare de la SC Bauelemente SRL.

Figura 1: Reprezentare schematică a soluției de îmbinare

Barele de la partea de sus a grinzilor (1), dispuse în stratul de beton de monolitizare (3) se înnădesc cu bare orizontale care traversează stâlpul (4) prin dispozitive mecanice de îmbinare cap la cap cu filet (2), instalate în prealabil în stâlpul prefabricat.
Pentru barele longitudinale de la partea de jos a grinzilor soluția de îmbinare presupune înnădirea în două etape:
- înnădirea unor mustăți orizontale (5) cu bare orizontale care traversează stâlpul (7) prin dispozitive mecanice de îmbinare cap la cap cu filet (6) , instalate în prealabil în stâlpul prefabricat
- înnădirea mustăților cu barele orizontale ale grinzilor (9) prin suprapunere în afara zonei critice de la capătul grinzii prefabricate – în acest scop, mustățile se introduc în canale lăsate în prealabil în grinda prefabricată care se monolitizează ulterior prin injectare cu mortar de înaltă rezistență cu contracție compensată (8)
La partea inferioară și pe înălțimea inimii grinzii, pentru asigurarea contactului între grinda prefabricată și stâlp se toarnă local un strat de mortar de înaltă rezistență cu contracție compensată (10) de grosime 15 cm. Grosimea minimă a stratului mortarului de monolitizare rezultă din considerentele de montaj în șantier al mustăților în dispozitivele mecanice de îmbinare cap la cap.
Avantajele acestui sistem:
- realizează transferul eforturilor de la grindă la stâlp în mod echivalent cu elementele realizate monolit;
- permite montarea grinzilor între stâlpi cu zone scurte de monolitizare;
- are costuri de realizare mici prin comparație cu alte sisteme;
- poate fi realizat cu tehnologii și materiale disponibile la nivel local;
- necesită lucrători cu pregătire obișnuită, nefiind necesară specializare suplimentară;
- reproduce detalii din elemente realizate monolit oferind proiectanților certitudinea comportării optime la acțiuni seismice.
În cazul grinzilor cu forțe tăietoare mari, pentru transferul în bune condiții a recțiunii verticale la stâlp se pot lăsa console orizontale scurte (11) în stâlp. Acestea îmbunătățesc și condițiile de montaj, asigurând reazemul necesar pe perioada execuției lucrărilor de monolitizare.

Programul de încercări

Pentru determinarea comportării histeretice a îmbinării s-a efectuat un program de încercări structurale. Programul de încercări structurale a fost realizat de către Universitatea Tehnică de Construcții București în colaborare cu SC Bauelemente SRL, care a conceput soluția de îmbinare și a furnizat elementele de încercare. S-au încercat cinci elemente la cicluri alternante de încărcare-descărcare, dincolo de limita comportării elastice.
Fiecare element de încercare a avut forma generală a literei „T”, fiind realizat dintr-o grindă având rotirea împiedicată la un capăt prin prinderea de un bulb de ancorare. Lungimea totală a elementelor de încercare a fost de 250 cm. Partea de testare a elementului, grinda propriu-zisă, a avut forma de prismă dreptunghiulară, cu secțiunea transversală de 40 cm x 30 cm și lungimea de 200 cm. Bulbul de ancorare de forma unei prisme dreptunghilare a avut dimensiunea de 90 cm x 50 cm x 50 cm. Elementele au fost realizate din beton cu clasa de rezistență C50/60.
Fiecare element de încercare a fost realizat prin îmbinarea a două elemente prefabricate, bulb și grindă, cu înnădirea armăturilor longitudinale conform soluției descrise anterior (aceste elemente sunt denumite în continuare elemente prefabricate). Face excepție elementul de referință care a fost executat într-o singură etapă de turnare și a avut armăturile longitudinale continue pe toată lungimea (acest element este denumit în continuare elementul monolit).
Diferențele dintre elementele de încercare prefabricate au fost date de soluția de armare longitudinală, sub aspectul procentelor de armare cu armătură întinsă și al diametrelor barelor și de prezența consolei de rezemare pentru transmiterea directă a reacțiunii grinzii.
Cantitățile de armătură longitudinală au fost stabilite prin echivalarea procentelor de armare longitudinală ale elementelor de încercare cu cele ale grinzilor aparținând structurilor prefabricate cu placă realizată monolit. S-a considerat un procent de armare longitudinală cu armătură întinsă de 0,86% la partea de sus a secțiunii și de 0,42% la partea de jos a secțiunii. Diferența substanțială dintre cele două valori este generată de faptul că grinzile prefabricate care fac obiectul acestui studiu au deschideri mari și, ca urmare, momentele din încărcări gravitaționale sunt relativ mari prin comparație cu cele din încărcări seismice. Rezultă o diferență substanțială între momentele pozitive și cele negative în secțiunea învecinată stâlpului în combinația seismică de proiectare relevantă. Elementele de încercare BAU1, BAU2 și BAU3 au fost armate astfel 3φ20 la partea de sus, în zona de monolitizare, și 3φ14 la partea de jos.
În mod curent însă, din cauza momentelor încovoietoare mari care se dezvoltă în vecinătatea stâlpului, grinzile prefabricate care fac obiectul acestui studiu se armează cu bare de diametru mare (de exemplu, 25 mm sau 28 mm). Întrucât, prin transformare la scară și utilizarea barelor de diametru mic (14 mm) se poate schimba modul de comportare dată fiind clasa relativ înaltă de rezistență a betonului, în programul de încercări s-au introdus și două elemente de încercare, BAU4 și BAU 5, cu armare simetrică de 3φ14 mm și, respectiv, 2φ25 mm. Acest elemente au fost proiectate pentru a permite observarea influenței diametrului barelor asupra comportării elementului de încercare. De asemenea, se poate studia și comportarea grinzilor cu deschidere mică la care armarea poate rezulta simetrică datorită faptului că momentul din acțiuni gravitaționale este mai redus.
Armătura transversală s-a realizat cu etrieri perimetrali de diametru 8 mm dispuși la distanța de 50 mm, în zona critică din vecinătatea bulbului și la capătul opus, și 150 mm în zona curentă a grinzii. Astfel procentul de armare transversală în zona critică este de 0,67% și 0,22% în zona curentă. Acestea sunt valori obișnuite pentru grinzile prefrabricate care fac obiectul studiului.
Armarea transversală și longitudinală s-a realizat cu oțel S500, clasa de ductilitate C, conform încadrării din EN 1992-1-1 (CEN, 2004). Schița de armare a elementului BAU3 este prezentată în figura 2.
Pentru a se studia inflența consolei de rezemare a grinzii pe stâlp asupra comportării histeretice a grinzilor în zona critică, specimenul BAU2 a fost realizat cu o consolă scurtă situată la intersecția dintre bulb și grindă.
Caracteristicile distinctive ale elementelor de încercare sunt prezentate în Tabelul 1.
Pentru fiecare element, încercarea s-a făcut în planul constituit de axele longitudinale ale grinzii și bulbului. Deformațiile în afara acestui plan au fost restricționate prin echipamentul de încercare. Grinda a fost încărcată la capătul liber cu deplasări în direcție transversală axei sale longitudinale, cu restricționarea rotirii bulbului de ancorare amplasat la celălalt capăt. Elementele au fost încercate în poziție verticală, cu bulbul de ancorare amplasat la partea de jos. Schema generală de încărcare este prezentată în figura 3.

Figura 2: Schița de armare, element BAU3 (dimensiunile sunt în mm)

Tabelul 1: Caracteristicile elementelor de încercare

Figura 3: Schema de încărcare

Grinda a fost încărcată cu deplasări în regim cvasi-static de încărcare. Deplasările au fost aplicate ciclic, în ambele sensuri. Viteza de încărcare a fost redusă și nu a generat forțe de inerție semnificative. Grinda nu a fost încărcată axial în timpul încercării. Forța transversală a fost aplicată utilizând două pistoane hidraulice cu capacitatea de 100tf. Protocolul de încărcare cu deplasări a inclus un ciclu pentru o rotire generală de 0,0025 rad și câte două cicluri pentru rotiri maxime de 0,005 rad, 0,01 rad, 0,02 rad, 0,03 rad și 0,04 rad. Protocolul de încărcare aplicat respectă practica internațională din domeniu (FEMA, 2007). Valoarea de 0,04 rad rotire maximă a fost impusă de limitările tehnice ale echipamentului de încercare, aceasta corespunzând cursei maxime a cilindrilor hidraulici orizontali (cumulativ 10%-20cm pentru ambele sensuri de încărcare).
Încercările s-au efectuat utilizând cadrul de reacțiune al Centrului de Evaluare a Riscului Seismic de la Universitatea Tehnică de Construcții București (Figura 4). Cadrul de reacțiune este dotat cu echipamente de încărcare, măsurare și achiziție automată a datelor. Dotarea laboratorului s-a făcut prin donația făcută de Japan International Cooperation Agency (JICA) în cadrul proiectului Româno-Japonez de reducere a riscului seismic.
Forțele au fost măsurate prin intermediul unor traductori de forță instalați pe capetele cilindrilor hidraulici (load cells). Deplasările laterale, rotirile, lunecările și defomațiile axiale ale elementelor au fost înregistrate prin intermediul unor traductori inductivi de deplasare (displacement transducers).
Pentru a determina deformațiile în armături au fost instalate mărci tensometrice atât pe barele longitudinale cât și pe etrieri. Toate măsurătorile din timpul încercărilor au fost monitorizate și stocate prin intermediul unui sistem automat de achiziție a datelor.

Figura 4: Cadrul de reacțiune pentru încercarea elementelor

Rezultate preliminare

Elementul de încercare de referință BAU1 a fost solicitat la cicluri complete de încărcare-descărcare, conform protocolului de încărcare adoptat, până la o valoare a rotirii de 0,03 rad. Ulterior, s-a efectuat și încărcarea pe un semiciclu până la rotirea de 0,04 rad (4%).După acest semiciclu, încercarea a fost întreruptă din cauza unor limitări ale echipamentului. Nu s-a observat cedarea elementului. Starea de degradare este moderată (Figura 5, a). Nu s-a produs degradarea betonului comprimat, expulzarea stratului de acoperire cu beton și nici nu s-a observat tendința de flambaj al armăturilor comprimate. Se apreciază că răspunsul histeretic înregistrat este stabil (Figura 6, a). Fisurile din încovoiere au atins deschiderea de 0,3 mm la ciclurile de încărcare ±1%. S-au observat îndeosebi fisuri normale la axa barei, cu înclinare redusă în zona critică. Starea de fisurare evidențiază că influența forței tăietoare este redusă, elementul fiind solicitat predominant la încovoiere.
Elementul de încercare BAU2 a avut o comportare histeretică stabilă până la ciclurile de încărcare de ±3% (Figura 6, b). S-au înregistrat capacități de rezistență similare specimenului de referință. Modul de fisurare a fost influențat local de prezența consolei dar comportarea de ansamblu a fost similară cu cea a elementului de referință. În cadrul primului ciclu de încărcare către -4% s-a produs ruperea unei armături de diametru 14 mm sub acțiunea eforturilor de întindere. Armătura înglobată în tecile injectate cu mortar și-a depășit capacitatea de deformare în zona stratului de mortar care separă cele două elemente prefabricate. Încărcarea a continuat conform protocolului și în cadrul celui de-al doilea ciclu de încărcare către -4% au cedat din întindere și celelalte două bare de armătură φ14. S-a observat tendința de formare a două fisuri normale la axa barei cu deschidere mare la interfețele de separare dintre stratul de mortar și elementele prefabricate. Fisura la interfața a avut deschiderea de 0,9 mm la -1% rotire și a crescut până la 9 mm la -3% rotire. Nu s-a observat tendința de desprindere a stratului de monolitizare sau de zdrobire a mortarului de la interfață. De asemenea, starea de fisurare nu a indicat tendința de pierdere a conlucrării armăturilor cu betonul în zona de înnădire prin suprapunere. Dispozitivele mecanice de înnădire cap la cap au asigurat transferul eforturilor între armături, fără cedări.
Pentru elementul de încercare BAU3 s-a înregistrat o comportare histeretică stabilă până la deplasarea de ±3% (Figura 6, c). Comportarea histeretică înregistrată este similară cu cea a elementului de referință. În timpului primului ciclu de încărcare către -0,04 rad, au cedat din întindere succesiv toate barele de armătură φ14 și încărcarea a fost oprită. Starea de degradare observată a fost similară specimenului BAU2, remarcându-se cele două fisuri normale cu deschidere foarte mare situate la interfețele de separare dintre stratul de mortar și elementele prefabricate (Figura 5, c). La -2% rotire, deschiderea însumată a celor două fisuri a fost de 6 mm (4 mm +2,5 mm). La -3% rotire, deschiderea cumulată a fost de 11,5 mm (8 mm + 3,5 mm). Fisura rămasă deschisă în zona comprimată măsura la această valoare a rotirii o deschidere de 0,65mm. Dispozitivele mecanice de înnădire cap la cap nu au cedat în ciuda deformațiilor mari ale armăturilor longitudinale localizate în imediata vecinătate a acestora.
Pentru elementul de încercare BAU4 s-a înregistrat comportarea histeretică așteptată până la efectuarea ciclurilor complete de încărcare la ±0,01 rad (Figura 6, d). În timpul celui de al doilea ciclu de încărcare către +0,02 rad s-a produs desprinderea unei armături longitudinale φ14 din dispozitivul de înnădire cap la cap cu filet. Forța înregistrată de 35 kN este cu aprox. 30% mai mică decât forța așteptată de 50 kN. În urma acestui eveniment nu s-a înregistrat un spor mare de deformații. Se face însă observația că încărcarea a fost controlată prin deplasări. În cadrul primului ciclu de încărcare către -0,03 rad au cedat din întindere și celelalte două bare de armătură. S-au remarcat și în acest caz cele două fisuri normale cu deschidere foarte mare situate la interfețele de separare dintre stratul de mortar și elementele prefabricate (Figura 5, d). Deschiderea fisurii critice la -3% rotire, imediat înainte de ruperea celor două armături φ14, a fost de 14 mm. La desfacerea ulterioară a elementului de încercare s-a constatat o deficiență de realizare a înnădirii armăturii de diametru 14 mm prin dispozitivul mecanic de cuplare.
În cazul elementului de încercare BAU5 s-a remarcat comportarea histeretică stabilă pe toată durata încercării, până la efectuarea completă a ciclurilor de încărcare la 0,04 rad (Figura 6, e). Răspunsul elementului a fost guvernat în principal de momentul încovoietor și, în secundar, de forța tăietoare. Nu s-a înregistrat o degradare semnificativă de rezistență. Degradarea de rigiditate s-a încadrat în limite acceptabile. Buclele histeretice sunt simetrice, cu lunecare pronunțată care este cauzată de lipsa forței axiale. Starea de degradare la -0,04 rad este moderată (Figura 5, e). S-au observat mai multe fisuri înclinate în zona critică ceea ce indică influența forței tăietoare și lunecarea locală a armăturilor în beton ca urmare a curgerii pronunțate. Dispozitivele mecanice de înnădire cap la cap au asigurat transferul eforturilor între armături, fără cedări premature. Nu s-a observat expulzarea stratului de acoperire cu beton sau flambajul armăturilor longitudinale comprimate. Deschiderea maximă a fisurii critice din încovoiere a variat de la 2 mm la deplasarea de -0,02 rad, la 3 mm la rotirea de -0,03 rad și 4 mm la rotirea de -0,04 rad.
Cu excepția elementului de încercare BAU4, toate elementele de încercare au prezentat un răspuns histeretic stabil inclusiv la ciclurile de încărcare de ±0,03 rad. Totuși, ruperea barelor de armătură ca urmare a localizării deformațiilor plastice nu reprezintă un mod de cedare potrivit pentru aplicații seismice. Este necesar să se ia măsuri pentru creșterea lungimii pe care barele longitudinale intră sever în curgere, rezultând astfel reducerea deformației specifice medii. Astfel de măsuri pot consta în împiedicarea locală a aderării barelor de armătură la beton. Utilizarea barelor de diametru mare favorizează ruperea aderenței barelor de armătură la beton și pătrunderea curgerii în zonele învecinate secțiunii de moment maxim.
Elementul de încercare BAU5 a răspuns în mod optim la solicitările ciclic alternante, fără degradări semnificative de rezistență inclusiv în cadrul ciclurilor de încărcare de ±0,04 rad. Starea de degradare moderată observată la sfârșitul testului arată că soluția adoptată pentru acest element de încercare este potrivită pentru aplicații seismice în condițiile unor cerințe mari de rotire plastică. Această comportare histeretică stabilă a elementelor prefabricate armate cu bare de diametru mare a mai fost demonstrată prin studii experimentale în cadrul aceluiași laborator (Popa et al. 2015).
Cedarea casantă a prinderii unei bare de armătură longitudinală în dispozitivul mecanic de îmbinare cap la cap cu filet a determinat un răspuns total nefavorabil al elementului de încercare BAU4. Răspunsul înregistrat arată cât de importantă este realizarea în bune condiții a înnădirii cu astfel de dispozitive pentru clădiri proiectate pentru clasa de ductilitate înaltă. Sunt necesare proceduri clare de verificare a calității înnădirilor dintre armături realizate cu dispozitive mecanice cap la cap. Aceste proceduri trebuie descrise în codul NE 012/1. Până la actualizarea acestui cod, este recomandabil ca proiectanții să introducă în memoriul tehnic astfel de prevederi.
Capacitatea de rezistență la încovoiere a elementelor de încercare corespunde cu valorile determinate prin calcul. Astfel, pentru cazul în care armătura întinsă este 3φ14 s-a determinat un moment capabil ultim de aprox. 103 kNm fiind corespunzător unei forțe maxime de 46 kN. Pentru cazul în care armătura întinsă este 3φ20, momentul capabil este de aproximativ 211 kNm fiind corespunzător unei forțe maxime aplicate la vârful consolei de 93 kN.
Elementele de încercare au suferit alungiri remanente de până la 10 mm. Aceste valori sunt măsurate în poziția de echilibru, la deplasări transversale egale cu 0. Alungirea grinzilor ca urmare a deformațiilor ciclic alternante la încovoiere poate cauza degradări locale ale elementelor adiacente.

Figura 5: Degradarea elementelor de încercare la deplasarea maximă

Figura 6: Curbe histeretice forță – deplasare pentru grinzi

Concluzii

Realizarea îmbinărilor dintre grinzi și stâlpi prefabricați care să permită transferul momentelor încovoietoare este o necesitate a industriei prefabricatelor și o provocare pentru inginerii proiectanți. Experiența cutremurelor anterioare în țări cu inginerie seismică avansată arată că îmbinările dintre grinzi și stâlpi pot reprezenta punctul sensibil al structurilor prefabricate solicitate de acțiuni seismice severe. Cerințele mari de deplasare cauzate de cutremurele din sursă Vrancea necesită realizarea unor structuri cu rigiditate mare la acțiuni orizontale. În cazul structurilor prefabricate, conectarea rigidă a grinzilor și stâlpilor este o soluție pentru menținerea în limite acceptabile a gabaritelor acestor elemente. Inginerii proiectanți de structuri și companiile din industria prefabricatelor trebuie să dezvolte soluții de îmbinare grindă-stâlp în acord cu cerințele funcționale specifice, tehnologiile disponibile la nivel local și cerințele particulare de rotire cauzate de cutremurele de adâncime medie din sursa Vrancea.
Cercetarea experimentală a soluțiilor de îmbinare dezvoltate pe plan local este o soluție optimă și necesară pentru confirmarea comportării histeretice a acestora.
Din analiza preliminară a datelor experimentale înregistrate în acest studiu se pot trage următoarele concluzii:
a) Soluția de îmbinare pentru elementele de încercare prefabricate utilizată în studiu a permis atingerea capacității de rezistență la încovoiere și a rigidității specifice elementului monolit.
b) În cazul elementului monolit s-a observat o fisurare distribuită. Au apărut fisuri normale și înclinate cu deschideri ce s-au redus treptat de la zona de încastrare către capătul liber al stâlpului.
c) Sub efectul momentului încovoietor, în elementele prefabricate s-au deschis fisuri concentrate în special la interfața dintre piesele prefabricate (grindă sau bulb) și stratul de mortar. Această observație este valabilă îndeosebi pentru situația în care a fost întinsă armătura longitudinală de la „partea de jos” grinzilor (armătura înglobată în teci). În cazul în care armătura întinsă a fost cea înglobată în stratul de monolitizare, modul de fisurare s-a apropiat mai mult de cel observat la elementele monolite.
d) În cazul utilizării unor bare longitudinale de armătură de diametru mic s-a produs concentrarea deformațiilor plastice ale armăturii în dreptul celor două fisuri deschise la interfața dintre grindă și stâlp cauzând ruperea îmbinării la rotiri relativ reduse. Barele de armătură de diametru mic înglobate în mortar cu rezistență ridicată au capacitate redusă de a rupe aderența la acesta. Astfel, curgerea nu pătrunde pe o lungime semnificativă dincolo de zona de moment maxim. Din încercări s-a observat că această concentrare a curgerii în zona de „monolitizare” de 10 cm dintre grindă și bulb poate conduce la cedarea prematură a barelor de armătură sau a înnădirilor acestora sub acțiunea eforturilor de întindere.
e) Utilizarea unor bare de armătură longitudinală de diametru mare, compatibile cu clasa mare de rezistență a betonului, schimbă fundamental comportarea elementului de încercare. Specimenul armat longitudinal cu bare de diametru 25 mm a fost încercat ciclic până la valori ale rotirii de 0,04 rad fără să prezinte degradări semnificative de rezistență. În cazuri practice, grinzile au deschidere și momente încovoietoare mari, astfel că la partea superioară și la partea inferioară se utilizează bare de diametru mare (de exemplu, 25 mm sau 28 mm).
f) Utilizarea tecilor injectate cu mortar permite realizarea continuității prin suprapunere a armăturilor longitudinale în situații de solicitare ciclică în domeniul plastic. Nu s-au observat cedări ale acestor înnădiri în timpul încercărilor.
g) Dispozitivele mecanice de îmbinare cap la cap utilizate în acest studiu au avut capacitatea de a transfera forțele din armăturile longitudinale chiar și la valori mari ale rotirilor plastice ale grinzilor. Această capacitate este compatibilă cu proiectarea acestor structuri pentru clasa de ductilitate DCH, conform P100-1.
h) Stratul de beton de monolitizare a conlucrat în mod optim cu grinda prefabricată. Nu s-au observat fisuri sistematice de separare a stratului de monolitizare de corpul grinzii prefabricate. Modul de fisurare al grinzii pentru momente negative s-a apropiat de cel observat pentru elementul monolit.
i) Dispunerea consolei nu a modificat semnificativ răspunsul elementelor pentru valori ale rotirilor sub 0,03 rad. S-a observat mobilizarea aceleiași capacități de rezistență și un mod de fisurare asemănător.
Rezultatele prezentate în acest articol sunt preliminare. După analiza tuturor datelor înregistrate experimental în cadrul acestui studiu se vor publica rezultatele și concluziile finale.

Mulțumiri

Autorii adresează mulțumiri companiei SC Bauelemente SRL pentru sprijinul acordat la realizarea acestui studiu și interesul tehnic și științific autentic.
De asemenea, este apreciat suportul tehnic și financiar oferit de Agenția Japoneză de Cooperare Internațională (JICA). Dotarea Laboratorului de Încercări Structurale s-a făcut cu finanțarea oferită de guvernul japonez prin JICA în cadrul proiectului de cooperare Româno-Japonez desfășurat în perioada 2002-2008.

Bibliografie

Bournas, Dionysios A., Paolo Negro, and Fabio F. Taucer. "Performance of industrial buildings during the Emilia earthquakes in Northern Italy and recommendations for their strengthening." Bulletin of Earthquake Engineering 12.5 (2014): 2383-2404.
Comitetul European de standardizare (CEN). “Eurocode 2: Design of concrete structures- Part 1-1: General rules and rules for buildings" (2004).
Comitetul European de standardizare (CEN). “Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance—Part 1: General Rules." Seismic Actions and Rules for Buildings (2004).
Dragoș Coțofană, Mihai Pavel, Viorel Popa. "Design of Beam Anchorages in Beam-Column Joints in Seismic Structures." Seismic Hazard and Risk Assessment. Springer, Cham, (2018). 519-529.
Federal Emergency Management Agency (FEMA). “Interim Testing Protocols for Determining the Seismic Performance Characteristics of Structural and Nonstructural Components, Report No. FEMA-461." (2007).
Liberatore, Laura, et al. "Failure of industrial structures induced by the Emilia (Italy) 2012 earthquakes." Engineering Failure Analysis 34 (2013): 629-647.
Ministerul Dezvoltării Regionale și Administrației Publice (MDRAP) “Cod de proiectare sesimică P100 – Partea I – P100-1/2013 – Prevederi de proiectare pentru clădiri” (2013).
Ozden, Sevket, et al. "Performance of precast concrete structures in October 2011 Van earthquake, Turkey." Magazine of Concrete Research 66.11 (2014): 543-552.
Posada, Mauricio, and S. Wood. "Seismic performance of precast industrial buildings in Turkey." 7th US national conference on earthquake engineering (7NCEE). 2002.
Viorel Popa, Dragoș Coțofană, Radu Pascu. “Cercetare experimentală pentru verificarea unei metode alternative de îmbinare a stâlpilor prefabricați de beton armat”, AICPS Review 4(2009). 105-111.
Viorel Popa, Andrei Papurcu, Dragoș Coțofană, Radu Pascu. “Experimental testing on emulative connections for precast columns using grouted corrugated steel sleeves” Bulletin of Earthquake Engineering 13.8 (2015): 2429-2447.

Discută acest articol pe forum. Nici un comentariu. Discută acest articol pe forum. Doar un comentariu până acum. Discută acest articol pe forum. Sunt 0 comentarii până acum.

Lasă un comentariu