PENTRU PREZENTAREA PROGRESULUI ÎN CERCETAREA ȘTIINȚIFICĂ [305766]

RAPORT 2

PENTRU PREZENTAREA PROGRESULUI ÎN CERCETAREA ȘTIINȚIFICĂ

Soluții de ultimă oră în reabilitarea construcțiilor civile și industriale

Domeniul de doctorat: [anonimizat]: [anonimizat].univ.dr.ing. Gheorghe-Constantin IONESCU ing. VARGA CSABA

2018

CUPRINS

Cap 1. Introducere…………………………………………………………………………………………………. 3

Cap 2.

Implicațiile utilizării materialelor de construcție asupra conceptului de sustenabilitate ……………………………………………………………………. 8

Cap 3.

Consolidarea construcțiilor cu fibre de carbon ………………………. 13

Cap 4.

Reabilitarea structurilor din zidărie și beton armat cu elemente din oțel ………………………………………………………………………. 30

Bibliografie…………………………………………………..……………………………..39

INTRODUCERE

Una dintre problemele actuale ale omenirii sunt efectele negative pe care schimbările climatice le au asupra generațiilor actuale și mai ales asupra generațiilor viitoare. Condițiile de mediu sunt într-o [anonimizat]. [anonimizat].

Cele mai mari provocări cu care se confruntă omenirea secolului XXI constau atât în asigurarea condițiilor de perpetuare a speciei, cât și în protejarea mediului înconjurător. [anonimizat], [anonimizat] (ecologic, economic și social) [anonimizat] a ecosistemului general din care facem parte. Realizarea onor noi tehnologii și activități având rolul de a [anonimizat], calitatea și speranța de viață, a fost impusă de condiția umană de autodepășire [50].

[anonimizat], într-[anonimizat], s-a ajuns însă și la o influențare negativă a ecosistemului global prin afectarea masivă a mediului natural.

Cu toate că, o creștere a [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] o amenințare și o influență negativă a [anonimizat].

Încă de la sfârșitul secolului XVIII când revoluția industrială a [anonimizat], s-a înregistrat și o influență negativă și agresivă asupra mediului înconjurător. O dată cu descoperirile tehnologice care au condus la o îmbunătățire a [anonimizat] a avut ca rezultat o sporire a speranței de viață. În acest mod, s-a ajuns la o creștere accelerată a numărului de locuitori la nivel global de la 1 miliard de locuitori la început de secol XVIII, la aproximativ 7 miliarde în anul 2014, creștere care continuă într-un mod vertiginos și în acest secol [50].

Pentru a se putea susține o populație din ce în ce mai numeroasă, care până în prezent nu pare să aibă simțul consumului rațional, a fost necesară creșterea cantității de resurse prime extrase din scoarța terestră, multe dintre acestea fiind resurse neregenerabile sau resurse cu un grad scăzut de regenerare. Realitatea este faptul că, în momentul de față, capacitatea Pământului de regenerare a materiilor prime pe intervalul unui an este cu mult depășită de cantitatea de resurse naturale consumată la nivel global.

În cursul anului 2014 volumul de materii prime regenerate au fost consumate până în luna august și, drept urmare, în anul 2015, aceste rate au fost depășite de volumul de resurse necesar pentru desfășurarea activităților zilnice.

Producerea de emisii de gaze cu efect de seră, acidifiere și eutrofizare, emisii de precursori ai ozonului, emisii de plumb și de metale grele, emisii de particule în suspensie primare, emisii de precursori ai particulelor în suspensie secundare, etc., au avut, de asemenea, un alt efect negativ asupra mediului înconjurător [50].

Aceste emisii nocive sunt rezultatul activităților umane zilnice ca: transportul de bunuri și persoane, fabricarea de produse, producerea de electricitate, fabricarea materialelor de construcții, demolarea structurilor vechi și realizarea de noi clădiri, utilizarea resurselor naturale pentru asigurarea condițiilor de confort interior. Exemplele pot continua, având în vedere că orice activitate desfășurată de om influențează într-un mod sesizabil starea mediul înconjurător.

Sectorul construcțiilor a atras, pe parcursul ultimilor ani, nenumărate polemici în legătură cu influența profund negativă pe care acest domeniu o are asupra ecosistemului Pământ și asupra dezvoltării armonioase a generațiilor viitoare.

Discuții iscate pe această temă la nivel internațional au pornit de la faptul că în acest sector sunt utilizate cantități apreciabile de materii prime extrase din scoarța terestră, precum și de la faptul că, pentru asigurarea condițiilor de climat interior, în perioada de utilizare a unei clădiri sunt consumate cantități semnificative de resurse naturale considerate ca fiind neregenerabile. Mediul construit influențează mediul natural atât în fazele de pre-operare și operare a unei structuri, cât și în faza de post-operare a acesteia.

Cu toate acestea, domeniul construcțiilor este considerat prioritar din punct de vedere al influenței asupra mediului înconjurător, atât în țările puternic dezvoltate, cât și în țările în curs de dezvoltare. În primul caz, această problemă este reprezentată de condiția precară în care se găsește o parte importantă a fondului construit existent, care în majoritatea țărilor dezvoltate a fost executat în anii de după terminarea celui de-al doilea război mondial. Acesta a fost și motivul real, pentru care s-a pus problema reînnoirii mediului construit deoarece construcțiile civile sau infrastructura rutieră realizată în această perioadă și-a atins și chiar a depășit perioada de viață proiectată, iar nivelul siguranței structurale oferite de aceste construcții pentru utilizatori este considerat nesatisfăcător. De asemenea, se are în vedere și necesitatea transformării clădirilor existente în clădiri eficiente energetic, micșorându-se astfel impactul ecologic în perioada de operare. În cazul țărilor în curs de dezvoltare, problema este reprezentată de fondul construit planificat, fond care trebuie să rezolve problema acoperirii necesarului de locuințe pentru un număr din ce în ce mai mare de locuitori.

În concluzie, în ambele situații, mediul înconjurător este profund afectat atât prin utilizarea de materii prime în cantități importante cât și prin emisiile aferente proceselor tehnologice necesare pentru atingerea acestui obiectiv.

Se impune o abordare complet diferită a noțiunii de evoluție a omenirii, datorită creșterii de la an la an a cantităților de materii prime extrase din scoarța terestră și a gazelor nocive eliberate în atmosferă. În scopul asigurării condițiilor optime de dezvoltare pentru generațiile viitoare și chiar pentru generațiile prezente, se impune luarea în considerare a unui management eficient al resurselor naturale prin minimizarea consumului irațional actual și realizarea de produse și servicii cu o amprentă minimă de carbon. În aceeași linie se impune și limitarea cantității de emisii nocive în atmosferă, nu doar a celor de dioxid de carbon.

Datorită acestor considerente, începând din a doua jumătate a secolului trecut,
s-a pus în discuție implementarea unui nou concept global – conceptul de sustenabilitate, care să pună bazele unui nou tip de dezvoltare a speciei umane,
așa-numita dezvoltare sustenabilă.

Definiția dezvoltării sustenabile a fost stabilită în anul 1987 și acceptată la unison de către comunitatea internațională ca fiind cea oficială, prin publicarea raportului Our Common Future (Viitorul Nostru Comun), cunoscut și sub denumirea de the Bruntland report (raportul Bruntland), realizat de către WCED. În acest raport, dezvoltarea sustenabilă era definită ca fiind „dezvoltarea care urmărește satisfacerea nevoilor generației prezente fără a compromite capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi” (WCED 1987).

Norma internațională ISO 15392-2008 a apărut în urma influenței exercitate de către sectorul construcțiilor asupra economiilor naționale, asupra standardelor de viață și a mediului înconjurător, având ca scop, identificarea și aplicarea principiilor sustenabilității în acest sector, oferind o serie de clarificări privind dezvoltarea sustenabilă. Standardul susmenționat definește sustenabilitatea ca fiind „o situație care impune ca oamenii să își desfășoare activitățile zilnice într-un mod în care funcțiile ecosistemului Pământ să fie protejate”, sustenabilitatea reprezentând „scopul dezvoltării sustenabile” (ISO 2008 a). La nivelul Uniunii Europene, sustenabilitatea este definită de către norma EN 15643-1:2010 ca fiind „capacitatea unui sistem de a se menține pentru generațiile prezente și cele viitoare” (EN 2011 a).

Prin aplicarea sustenabilității în sectorul construcțiilor se urmărește îndeplinirea cerințelor esențiale de performanță ale clădirilor sau ale altor lucrări/produse/servicii inginerești cu un impact minim asupra mediului înconjurător, îmbunătățind în același timp atât dimensiunea economică cât și cea socială/culturală a dezvoltării sustenabile (ISO 2008 a). Astfel, pentru a atinge sustenabilitatea în acest domeniu, este necesară interpretarea și considerarea următoarelor aspecte primare ale dezvoltării sustenabile (Figura 1.1):

aspectul legat de protejarea și refacerea mediului înconjurător (aspectul ecologic);

aspectul economic;

aspectul social.

Figura 1.1 Principalele aspecte ale sustenabilității (ISO 2008 a; Yao 2013)

În industria construcțiilor, se estimează un consum anual, cuprins între 40% și 60% din totalul cantității de resurse naturale (cunoscute și sub denumirea de materiale extrase) utilizate pe plan mondial, acest sector fiind cel mai mare consumator în comparație cu celelalte domenii economice (Bribian et al. 2011; Messari-Becker et al. 2013; Pacheco-Torgal 2014; Tautsching și Burtscher 2013).

Demn de menționat este și faptul că materialele pentru construcții reprezintă între 40% și 50% din totalul materialelor utilizate anual (Blankendaal et al. 2014; Miller și Ip 2013; Pacheco-Torgal și Labrincha 2013). 40% din cantitatea de energie produsă în plan global, este consumată în acest domeniu, care este responsabil și pentru producerea a 40% din emisiile totale de gaze cu efect de seră, pentru consumul a 15% din resursele globale de apă și pentru producerea a 25% din totalul de deșeuri (Ding 2014; Mokhlesian și Holmen 2012; Pacheco-Torgal 2014; Ramesh et al. 2010; Simion et al. 2013). Luând în considerare și faptul că în fiecare economie națională sectorul construcțiilor este unul cheie, având un impact social ridicat, acest domeniu are un rol însemnat în politicile de dezvoltare sustenabilă care au ca scop satisfacerea aspectelor sustenabilității la nivel mondial. Pornind de la extracția materiei prime și finalizând cu demolarea structurii și depozitarea și reciclarea deșeurilor rezultate, întreg ciclul de viață al unei construcții (Figura 1.2) are un impact semnificativ asupra principalelor dimensiuni ale conceptului de sustenabilitate. Așadar, în scopul reducerii impactului ecologic al acestui sector (influența mediului construit asupra mediului înconjurător sau natural) este necesar a se lua în considerare atât etapele de pre-operare și operare a unei construcții, cât și faza de postoperare a acesteia [50].

Figura 2.2 Ciclul de viață al unei construcții

(Maxineasa et al. 2013; Maxineasa et al. 2015)

2. IMPLICAȚIILE UTILIZĂRII MATERIALELOR DE CONSTRUCȚIE ASUPRA CONCEPTULUI DE SUSTENABILITATE

Prezentul capitol, conține câteva dintre implicațiile pe care faza de producere a materialelor utilizate în acest sector o are asupra aspectelor conceptului de sustenabilitate, cu precădere asupra aspectului legat de protejarea și refacerea mediului înconjurător [50].

2.1. Beton

Într-un singur an, cantitatea de beton consumată pe plan global atinge valoarea de 25 de miliarde de tone, ceea ce înseamnă că an de an se produc aproximativ 3,8 tone de beton pentru fiecare locuitor. Dintre toate resursele și materialele utilizate pe plan mondial, betonul se situează pe poziția a doua, pe primul loc fiind apa (EPC 2009; Gursel et al. 2014; Knoeri et al. 2013; Marinkovic et al. 2014; WBCSD 2009 a).

Cea mai semnificativă influență asupra impactului ecologic al betonului o are cimentul, constituentul principal în compoziția acestuia. De menționat este faptul că, în ultimii 60 de ani, consumul de ciment la nivel global a crescut de la aproximativ 0,5 la 2,8-3 miliarde de tone (Estrada et al. 2012; Gursel et al. 2014; Habert 2014; Metha și Meryman 2009). Amprenta de carbon a cimentului este una însemnată; pentru producerea unei tone de ciment se eliberează în atmosferă o cantitate de aproximativ 1t de CO2. În cazul în care ratele de consum actuale se vor menține la același nivel și în viitor, este de așteptat ca impactul cimentului asupra mediului înconjurător să se dubleze o dată la cinci ani (Estrada et al. 2012; Gursel et al. 2014).

2.2. Oțel

Unul dintre cele mai importante procese industriale, este producerea oțelului considerându-se că acest material a stat la baza dezvoltării societății moderne (Strezov et al. 2013; Tongpool et al. 2010).

Este dovedit faptul că, la nivel mondial, procesul de fabricare al acestui material este responsabil pentru 9% din totalul emisiilor de CO2 (Moynihan și Alwood 2012).

Volumul de oțel produs la nivel mondial a crescut în ultimii 40 de ani, de aproape trei ori. (WSA 2013 a, b). Se estimează că mai bine de jumătate din oțelul produs anual la nivel mondial este utilizat în sectorul construcțiilor (Moynihan și Alwood 2012; Wang et al. 2007).

Măsurile care au fost implementate de către industria de profil în ani 70’ și 80’, precum reciclarea oțelului și utilizarea furnalelor electrice în detrimental furnalelor care utilizau cărbuni au avut ca efect micșorarea, de la an la an, a impactului ecologic al acestui sector.

În comparație cu celelalte materiale pentru construcții, oțelul are o proprietate unică – poate fi reciclat în proporție de 100%. În Statele Unite ale Americii, se estimează că peste 98% din oțelul rezultat din procesul de demolare a unei structure este utilizat pentru realizarea de noi produse metalice, care la rândul lor sunt utilizate în sectorul construcțiilor.

Dezvoltarea proceselor tehnologice ce au permis reciclarea oțelului, acesta fiind un material la care ciclul de viață are un circuit închis, a condus la micșorarea cantităților de gaze cu efect de seră emise în atmosferă în ultimii 30 de ani. (AISC 2011; Estrada et al. 2012; Lambert 2010).

2.3. Lemn

Pădurile, pe lângă consumul unei cantități apreciabile de CO2, eliberează în atmosferă și o cantitate importantă de O2. Este demonstrat faptul că, prin procesul de fotosinteză, pentru fiecare 670 de grame de CO2 „sechestrate” din atmosferă, pădurile eliberează o cantitate de aproximativ 490 de grame de O2 (DeStefano 2009; Estrada et al. 2012).

În lupta pentru salvarea mediului înconjurător, un rol hotărâtor îl are utilizarea lemnului ca material de construcții, impunându-se obligația ca lemnul prelucrat de către industria de profil să provină din păduri certificate, cultivate pentru a satisface nevoile speciei umane. Exploatarea iresponsabilă a pădurilor ar conduce la apariția unor efecte negative grave asupra mediului înconjurător, cum ar fi: mărirea nivelului de CO2 din atmosferă, apariția fenomenelor de eroziune a solului, distrugerea habitatelor naturale ș.a.

O abordare responsabilă în ceea ce privește utilizarea lemnului în construcții are ca scop păstrarea suprafețelor împădurite la un nivel cât mai ridicat.

De exemplu, pe teritoriul Europei, datorită implementării acestei soluții și a aplicării practicilor de împădurire, fondul forestier a crescut cu 2% – aproximativ 3,5 milioane de hectare, între anii 2000 și 2010, iar în Statele Unite ale Americii și Canada suprafața împădurită are aceeași dimensiune ca acum 100 de ani (Estrada et al. 2012; Eurostat 2011; Ward 2010).

2.4. Blocuri pentru zidărie

Impactul blocurilor pentru zidărie asupra mediului înconjurător este influențat în cea mai mare măsură de materiile prime utilizate în procesul de fabricare. Blocurile ceramice, adică blocurile obținute prin arderea argilei/lutului, au o cantitate de energie înglobată de trei ori mai mare în comparație cu energia înglobată în blocurile de zidărie obținute prin folosirea cimentului (Estrada et al. 2012; Volz și Stonver 2010 a).

În scopul producerii blocurilor ceramice se utilizează o cantitate apreciabilă de energie obținută din arderea combustibililor fosili (Bingel 2010; Lourenco și Vasconcelos 2015; Volz și Stonver 2010 a). Pe de altă parte, în cazul blocurilor pentru zidărie realizate din beton celular autoclavizat (BCA) sau din beton celular ușor (BCU), impactul ecologic este asemănător cu impactul pe care îl are betonul. (Bingel 2010; Estrada et al. 2012; Volz și Stonver 2010 a).

2.5. Materiale compozite polimerice armate cu fibre

În continuare, se va prezenta o scurtă sinteză a implicațiilor ecologice rezultate din etapele de producție a materialelor constituente caracteristice aplicațiilor CPAF din sectorul construcțiilor.

2.5.1. Fibrele din sticlă

Este cunoscut faptul că, la fabricarea fibrelor de sticlă se consumă o cantitate apreciabilă de energie neregenerabilă. S-a stabilit că, pentru producerea unui kilogram de material de fibre din sticlă se consumă aproximativ 54,7 MJ, energie utilizată în fazele ciclului de viață de la extragerea materiei prime și până la fabricarea acestui produs inclusiv (Joshi et al. 2004; Lee et al. 2012). Pe lângă toate acestea, procesul de fabricare al fibrelor din sticlă mai are un impact negativ important asupra mediului înconjurător, rezultat din poluarea aerului prin emisiile de praf rezultate din procesarea sticlei (Anderson et al. 2004; Lee et al. 2012).

2.5.2. Fibrele din carbon

Etapele procesului de fabricare al acestui tip de fibră cuprinde următoarele:

oxidarea (stabilizarea) fibrelor la temperaturi cuprinse între 200 și 400°C;

etapa de carbonizare, în timpul cărei se ating temperaturi între 1.000-2.000°C;

grafitizarea fibrelor la 2.500-3.000°C;

tratarea suprafețelor (fib 2007; GangaRao et al. 2007; Gowayed 2013; Gowayed 2014; Lee et al. 2012; Motavalli et al. 2010; Țăranu et al. 2013).

În comparație cu celelalte tipuri de fibre utilizate în sectorul construcțiilor (fibrele din sticlă și cele aramidice), fibrele din carbon au cel mai ridicat impact negativ asupra mediului înconjurător. Totuși, acest impact ecologic poate fi micșorat datorită caracteristicilor superioare ale fibrelor din carbon, situație care se reflectă printr-un consum mai mic de material (Anderson et al. 2004; Maxineasa și Țăranu 2013).

2.5.3. Fibrele aramidice

Fibrele aramidice sunt fibre de natură organică, obținute din reacția de condensare dintre parafenilen diamină și clorura de tereftaloil, reacție ce conduce la formarea aramidei. Spre deosebire de celelalte fibre utilizate ca armături pentru aplicațiile compozite din sectorul construcțiilor, fibrele aramidice sau Kevlarul nu necesită un tratament termic intens. În etapele de producere a Kevlarului se ating temperaturi de maxim 200°C, valoare mult mai mică decât în cazul fabricării fibrelor din sticlă sau carbon. Un dezavantaj din punct de vedere al impactului asupra mediului înconjurător este reprezentat de utilizarea acidului sulfuric pentru spălarea și dizolvarea polimerului rezultat din reacția de condensare prezentată mai sus (Hollaway 2011; Maxineasa și Țăranu 2013; Stoian et al. 2004; Țăranu et al. 2013).

2.5.4. Rășinile epoxidice

Majoritatea rășinilor epoxidice necesită o creștere a temperaturii ambientale la locul punerii în operă pentru inițierea reacției de întărire.

Majoritatea agenților reactivi utilizați au un nivel de toxicitate ridicat, provocând iritații severe în momentul în care sunt atinși sau când sunt inhalate emisiile produse de aceștia (Astrom 1997; GangaRao et al. 2007; Lee et al. 2012; Maxineasa și Țăranu 2013; Mazumdar 2002).

2.5.5. Rășinile poliesterice

Ca și în cazul matricelor epoxidice, printre principalele dezavantajele ale rășinilor poliesterice este menționat potențialul de degradare a sănătății oamenilor. Reacția de polimerizare este demarată în prezența unui catalizator, care în cele mai multe cazuri este un peroxid organic. Acest produs este toxic, iar în cazul manevrării fără echipament de protecție poate produce iritații la nivelul ochilor și a pielii. Probleme de sănătate poate produce și stirenul, cel mai folosit agent de legare transversală a rășinilor poliesterice. Dintre toate matricele polimerice termorigide utilizate, cele poliesterice au cel mai mare impact asupra mediului înconjurător (Anderson et al. 2004; Astrom 1997).

2.5.6. Rășinile vinilesterice

Metoda de formare a acestor rășini reprezintă o combinație dintre metodele de formare a rășinilor poliesterice și a celor epoxidice. Astfel, în cazul producerii matricelor vinilesterice, cantitatea de emisii rezultate din procesul de constituire și efectele negative asupra sănătății umane sunt în mare măsură aceleași cu cele din cazul rășinilor epoxidice și poliesterice (Astrom 1997; GangaRao et al. 2007; Lee et al. 2012).

CONSOLIDAREA CONSTRUCȚIILOR CU

FIBRE DE CARBON

De-a lungul unui deceniu, preocupările specialiștilor în domeni a fost problema îmbunătățirii infrastructurii construcțiilor civile existente. Deteriorarea platformelor podurilor, grinzilor, traverselor și stâlpilor, a construcțiilor sau structurilor de parcare și altele se pot atribui îmbătrânirii sau unor degradări datorate mediului inconjurător, o proiectare și o construcție inițiala necorespunzătoare, întreținere improprie sau unor cazuri de forță majoră cum ar fi cutremurele. Diminuarea crescândă a infrastructurii este într-o strânsă legatură cu nevoia de îmbunătățire a structurilor, astfel încât acestea să întrunească condițiile tot mai stricte de proiectare (creșterea volumului de trafic pe unele poduri depășind încărcările inițiale ale proiectării), și de aici aspectul reînnoirii infrastructurii construcțiilor civile a primit o atenție considerabilă în ultimii anii în toată lumea. Așadar, adaptarea seismică a devenit cel puțin la fel de importantă, în special în zonele critice de seism.

Studiile recente legate de materiale, metode și tehnici pentru consolidarea structurilor au fost de mare amploare. Una dintre tehnicile avansate este folosirea armărilor cu materiale compozite din polimeri (FRP) ce sunt privite de către inginerii de structură ca fiind niște materiale noi și foarte promițătoare în industria construcțiilor. Materialele compozite pentru consolidarea structurilor construcțiilor civile se pot găsi în prezent în general sub forma:

Benzi subțiri unidirecționale (cu grosimea de aproximativ 1mm) obținute prin laminare;

Coli sau materiale flexibile, făcute din fibre dispuse pe una respectiv două direcții diferite (și câteodată pre-impregnate cu rășini).

Avantajele consolidărilor cu materiale compozite

Motivele pentru care materialele compozite sunt din ce în ce mai folosite pentru consolidarea elementelor din beton armat sunt următoarele:

sunt imune la coroziune, greutate scăzută (1/4 din greutatea oțelului) de unde rezultă o aplicare mai ușoară în spații restrânse

rezistente la forțele de întindere (statice sau de durată, pentru anumite materiale FRP); rigiditatea poate fi ajustată în funcție de cerințele de proiectare;

capacitate mare de deformare; și practic formele, dimensiunile și geometria sunt nelimitate în cazul materialelor FRP.

nesuplimentarea semnificativă a greutății proprii a structurii, datorită greutății reduse a materialelor utilizate;

posibilitatea mascării zonelor consolidate, cu tencuieli clasice pe baza de mortar, vopsitorii sau rigips;

punerea în operă deosebit de facilă și de rapidă, care implică o durată de execuție extrem de redusă și care nu necesită o zonă tehnologică amplă;

tehnologie curată, cu deranj minim și costuri reduse.

Actualitatea temei este argumentată de frecvența cu care soluțiile de consolidări cu materiale compozite sunt solicitate și promovate din ce în ce mai des în proiecte, fapt materializat la o serie de obiective importante, dintre care mă limitez a enumera doar câteva: cupola Ateneului Român – Bucuresti, toate sediile Academiei de Studii Economice – Bucuresti, Hotel Intercontinental – București, Uzina Ford – Craiova, biserica Mănăstirii Golia – Iași, Sala Polivalentă – Craiova, Hotel Continental – Sibiu, Hotel Palace – Govora, pod Calea Șagului – Timișoara, poduri Otelec și Cenei etc.

Dezavantajele consolidărilor cu materiale compozite

Materialele compozite au însă și dezavantaje ce nu trebuie neglijate de catre ingineri:

au un comportament elastic linear împotriva oțelului ce are un comportament elasto-plastic, până când cedează (cu toate că acest fenomen apare la încărcări mari) fără o curgere sau o deformare plastică importantă, ceea ce duce la o ductilitate scăzută.

costul materialelor din punct de vedere al greutății este de câteva ori mai mare decât cel al oțelului (dar când comparația se face din punctul de vedere al rezistenței, materialele compozite sunt mai eficiente). Mai mult, câteva materiale FRP, de exemplu cele cu carbon și aramid, au un coeficient de dilatare termică incompatibil cu cel al betonului.

expunerea lor la temperaturi înalte (în cazul unor incendii) poate duce la degradare prematură și cedare (unele rășini epoxidice încep să se înmoaie la
45 – 70oC).

Prin urmare materialele FRP nu trebuie considerate ca fiind înlocuitoare universale pentru oțel (sau alte materiale) în intervențiile asupra structurilor.

Cel mai bine ar fi ca avantajele oferite de aceste materiale să fie evaluate luând în considerare și potențialele lipsuri, iar decizia finală privind folosirea lor trebuie luată având în vedere mai mulți factori, incluzând pe lângă aspectele performanțelor mecanice și constructibilitatea sau durabilitatea de lungă durată.

Tehnici de consolidare

3.3.1. Cămășuirea cu beton armat

Metoda aceasta necesită descărcarea elementului ce urmează a fi consolidat, precum și îndepărtarea stratului de beton. În paralel pot fi adăugate alte armături, celor deja existente prin lipiri suprapuse proiectate corespunzător, sudură sau dispozitive de lipire. Este necesară tratarea cu mare atenție a operațiunii de sudare, deoarece temperaturile ridicate pot deteriora betonul sau orice adezivi utilizați.

Figura 3.1. Tehnici de cămășuire cu beton armat

3.3.2. Plăci sau materiale lipite la exterior

Plăcile de polimer armat cu fibră de carbon (CFRP) sau oțel se lipesc pe suprafețele de beton prin intermediul rășinilor epoxidice. Această tehnică este foarte eficientă pentru reducerea eforturilor la încovoiere și a dimensiunilor elementelor.

O limită a creșterii performanței obtinute prin această tehnică depinde de rezistența la smulgere a betonului, deoarece in cazul unor rezistente la smulgere necorespunzatoare, elementele aplicate se pot exfolia de suprafate elementelor de consolidat. O altă problema este curgerea adezivului, astfel stratul de adeziv trebuie redus la minimum. Principalul avantaj al acestei tehnici este realizarea unei creșteri minime a dimensiunii secțiunii după consolidare.

Figura 3.2. Tehnici de consolidare cu plăci de polimer

armat cu fibră de carbon (CFRP)

3.3.3. Cămășuirea cu oțel

O tehnică rapidă și eficientă constă în cămășuirea cu oțel care, are la bază ancorarea unor plăci subțiri de oțel în jurul unui element de structură. La fiecare dintre colțurile elementului sunt amplasate profile de oțel, care sunt prinse de beton. Apoi plăcile sunt sudate pe aceste profile și se adaugă o învelitoare de beton monolit sau de torcret. Prin intermediul acestei tehnici pot fi obținute creșterea rezistenței, a rigidității și a capacității de forfecare.

Figura 3.3. Metode de cămășuire cu oțel

Tabelul 3.1. Efectele intervențiilor asupra caracteristicilor structurii

3.3.4. Consolidări efectuate cu fibre de carbon

Această tehnică utilizează fibre foarte rezistente (fibre de sticla, de carbon si de aramid) sub forma unor materiale flexibile, saturate cu rășini epoxidice, care le permite sa fie modelate dupa forma elementelor de consolidat. Această schemă este utilă pentru repararea și consolidarea elementelor în regiunile seismice. S-a dovedit că aceasta crește ductilitatea și rezistență la forfecare a elementelor în măsura în care rupturile datorate fragilității sunt transformate în moduri de deformare ductilă. Mai mult chiar, rigiditatea crescută obținută este mai mica decât cea a învelitorii de oțel sau beton.

FRP-urile constau într-un număr ridicat de fibre continue, direcționate, non-metalice (de obicei alcătuite din carbon, sticlă, sau aramid) cu caracteristici avansate și care sunt unite printr-un amestec de rășini. Principalii constituenți supuși încărcării sunt fibrele, în timp ce rășina transferă încărcarea tuturor fibrelor, protejându-le astfel.

Pentru a facilita utilizarea lor în construcții, materialele FRP sunt produse sub diferite forme (Fig. 3.4.), după cum urmează:

-benzi prefabricate subțiri unidirecționale, cu o grosime de aproximativ 1mm (Fig 3.4..a)

-materiale compacte sau nu, flexibile, alcătuite din fibre dispuse pe una sau pe doua directii (Fig 3.4..b).

b)

Figura 3.4. Forme de utilizare a fibrelor de carbon

În funcție de tipul de fibră, materialele compozite sunt:

CFRP (pe bază de carbon);

AFRP (pe bază de aramid);

GFRP (pe bază de sticlă).

Figura 3.5. Diagrame forță-deformare pentru tensiuni uniaxiale pentru diferite FRP unidirecționale și oțel. CFRP – FRP de carbon, AFRP – FRP din aramid, GFRP – FRP de sticlă

Principalele trei tipuri de fibre folosite pentru consolidarea structurilor sunt:

Carbon;

Aramid;

sticlă.

Proprietățile fizice și mecanice pot varia în mod semnificativ pentru un anumit tip de fibre, precum și, bineînțeles, între diferitele tipuri de fibre. În Tabelul 3.2. sunt prezentate proprietățile tipice ale celor trei forme de fibre.

Pentru aceeași secțiune a fibrelor de carbon aplicate (secțiune=70mm2), rezistența la rupere a respectivului element consolidat este foarte puțin afectată de cantitatea de rășină aplicată. În schimb, modelul de calcul are o influență semnificativă, întrucât conduce la o creștre a secțiunii de material care se aplică pe elementul de consolidat. Astfel, pentru a compara diferite materiale compozite folosite pentru consolidări, trebuie avute în vedere pe lângă carracteristicile respectivelor materiale, și rezultatele unor teste preliminare.

Tabelul 3.2. Proprietăți tipice ale fibrelor

3.3.4. Compararea sistemelor FRP: plăci-materiale LAMELE – TESATURĂ

O sarcină dificilă cu care se confruntă un constructor este comparația diferitelor sisteme FRP. Să presupunem că un constructor ia în considerare două sisteme FRP pentru consolidarea unui element de beton armat și a obținut proprietățile mecanice de la producătorii respectivi.

Sistemul A: constă într-un material uscat, unidirecțional, din fibră de carbon aplicat împreună cu o rășină epoxidică folosind tehnica aplicării umede (de exemplu SikaWrap 103C cu SikaDur 300).

Sistemul B: constă în laminate epoxidice din fibre de carbon tratate anterior (de exemplu SikaCarboDur S1012) care sunt lipite de suprafața de beton cu o rășină epoxidică (de exemplu SikaDur 30).

Tabelul 3.3. Compararea sistemelor FRP

Proprietățile materialelor pentru cele două sisteme

După revizuirea specificațiilor materialelor, constructorul compară rigiditatea și rezistența la rupere a celor două sisteme. Deoarece specificațiile nu sunt determninate pe aceeași bază (Lamelele se bazează pe măsurarea sistemului de plăci cu goluri iar tesatura doar pe valorile teoretice ale fibrei) nu este posibilă o comparare directă a rezistenței (rezistența la rupere a sistemului de materiale = aprox. 50-80% din valoarea teoretică a fibrei). Modelele pot fi comparate aproximativ cu 1 : 1.

Tabelul 3.4. Comparație între rezistența la rupere și coeficientul ambelor sisteme

De asemenea trebuie luat în considerare faptul că asigurarea calității pe șantier (în ceea ce privește sistemele cu țesătură) este cu mult mai scăzută decât controlul calității lamelelor prefabricate în fabrică.

Cu toate acestea, se poate face o comparație între rezistența la rupere și coeficientul ambelor sisteme, prin ajustarea lor cu coeficientul de siguranță al materialelor (sugerate prin buletinul FIB. Nr. 14), având în vedere că rezistența la rupere este deja clar calculată. Calculele au fost prezentate în Fig. 3.4.

În multe cazuri se poate diversifica lățimea benzilor de FRP în comparație cu numărul de inserții (folosirea unor lățimi mai mari pentru sisteme cu o grosime mai mică și vice versa). În aceste cazuri calculele echivalente pentru rigiditate nu vor furniza întotdeauna contribuții egale la rezistența unui element. În general, sistemele FRP mai subțiri (tf mai scăzut) și mai late (wf mai ridicat) vor furniza un nivel mai ridicat de rezistență unui element datorită încărcărilor mai reduse ale lipirii. Echivalența exactă poate fi aflată doar prin calcule complete pentru fiecare sistem (de exemplu conform Comitetului ACI 440)

Durabilitate pe termen lung a FRP

Consolidarea făcută folosind fibre de carbon, corect aplicate, par să fie la fel de costisitoare ca un sistem clasic, dacă luăm în calcul faptul că durata de viață a consolidărilor cu fibre de carbon este mai mare decât durata de viață a unei consolidari clasice.

Atât durabilitatea fibrelor de carbon, cât și a betoanelor sunt cunoscute. Cu toate acestea durabilitatea sistemului în sine, fibre de carbon aplicate pe beton, ridică anumite semne de întrebare, întrucât liprirea fibrelor de carbon pe elemente de consolidat depinde de foarte mulți factori:

condiții existente ale substratului;

pregătirea substratului;

calitatea fibrelor de carbon folosite;

calitatea aplicării fibrelor de carbon ;

durabilitatea rășinii.

Bazele teoretice

În secțiunea următoare se poate observa că procedurile de proiectare limitează deformarea la materialele FRP. Așadar, materialele nu ajung la limita lor de rupere, Starea limita ultimă, nu ar trebui să fie un criteriu de comparație între cele două sisteme.

Când se iau în considerare diferite sisteme de materiale FRP pentru o anumită utilizare sistemele FRP ar trebui comparate doar pe baza rigidității echivalente. În plus, fiecare sistem FRP observat ar trebui să poată dezvolta nivelul de rezistenta asociat cu nivelul de deformare efectiv cerut de utilizare fără sa apara fenomenul de rupere, εfu> εfe.

Elementele din beton armat, cum ar fi grinzile, diafragmele și stâlpii, pot fi consolidate la încovoieri prin utilizarea materialelor pe baza de fibre de carbon, aplicate cu substanțe epoxidice pe suprafețele elementelor de consolidat, fibrele fiind dispuse paralel cu direcția eforturilor care solicită respectivele elemente (cu axa elementelor de consolidat).

Calculele prezentate in cele ce urmează sunt efectuate pe baza stării limite ultime (SLU), cât și stării limită de serviciu (SLS).

Starea limita ultimă

Calculul pentru consolidarea structurii, pleacă de la următoarele premize:

Betonul cedează în zona comprimată, datorită intrării armăturii în zona de curgere;

Datorită creșterii solicitărilor, armătura atinge palierul de curgere, armătura pe bază de fibre de carbon aplicată la exterior atingând o deformare limită εf,lim (mod simplificat de a trata dezlipirea fibrelor de carbon, în zonele solicitate la încovoiere – de exemplu la jumătatea deschiderii grinzilor).

Într-o primă etapă, trebuie stabilită deformația inițială εo, – deformația elementului la momentul deschiderii.

Deformația inițială este rezultatul acțiunii unor solicitări permanente asupra elementului de consolidat – de exemplu greutatea proprie. Momentele și recțiunile în diferite secțiuni ale elementului pot fi stabilite pe baza ecuațiilor de echilibru.

Pentru exemplul din Fig. 3.6 rezultatele sunt prezentate mai jos.

Ecuații de echilibru forțe (situația a):

(3.1)

Ecuatii echilibrul momente (situație inițială):

(3.2)

unde xo reprezintă înălțimea zonei comprimate și fs1, fs2 reprezintă forțțele care solicită armăturile întinse, respectiv cele comprimate.

Figura 3.6. Situația inițială – abordarea în bloc a încărcării echivalente:

acțiunea momentului Mo în timpul consolidării rezultă în dezvoltarea unei deformări inițiale εo la fibra de beton întinsă la maximum

(3.3)

(3.4)

În ecuațiile sus mentionate fck reprezintă rezistența caracteristică a betonului, fyd reprezintă efortul care determină curgerea armăturii, iar α, k sunt coeficienții care determină locul și intensitatea tensiunii care rezultă în blocul comprimat de beton. Acești coeficienți depind de deformarea maximă a betonului comprimat, εco.

(3.5)

(3.6)

Din soluția numerică a ecuațiilor (3.1) și (3.2) se calculează deformarea maximă a betonului comprimat, εco, și înălțimea zonei de beton comprimată xo. În final deformarea inițială este dată de:

(3.7)

Odată stabilită deformația εco, analiza secțiunii critice se face pe baza fig. 3.7, schemă care, descrie comportarea respectivei secțiuni în starea limită ultimă ( S.L.U.).

Echilibrul forțelor interne:

(3.8)

Momentul la care va rezista secțiunea:

(3.9)

unde Af, Ef și εf reprezintă suprafața secțiunii transversale, modulul elastic și respectiv deformarea armăturii FRP. Deformarea FRP și încărcarea la capătul superior al armăturii de oțel sunt date sub forma deformațiilor maxime ale betonului comprimat εco, și prin inălțimea secțiunii de beton comprimate.

Fig. 3.7 Analiza secțiunii transversale dreptunghiulare (profilul deformării și forțele interne) pentru SLU la încovoiere

(3.10)

(3.11)

De remarcat faptul că coeficienții α și k în ecuațiile (3.8) și (3.9.) sunt aceiași ca și mai devreme, la ecuațiile (3.5.) și 3.6.), cu εco înlocuit de εc.

Soluția ecuațiilor (3.8.) și (3.9.) este reprezentată numeric prin repetiții, extrăgând secțiunea transversală Af a FRP necesare.

Starea limita de serviciu

Pentru SLS analiza secțiunii transversale critice se face în conformitate cu EC2, pentru cele două izpoteze posibile de încărcare: încărcare temporară și încărcare cvasi-permanentă.

În cazul încărcării temporare calculele se fac ca și în cazul SLS, cu următoarele modificări:

0,85fcd în ecuația (3.8) și în Fig.3.7. este înlocuit de fck;

Mrd este înlocuit de momentul activ (în combinație cu încărcarea temporară) Mser,r;

fyd (efortul de întindere oțel) este înlocuit cu fs1;

limitele tensiunii sunt fs1<= 0,8fyk (pentru oțel) și σc <= 0,6fck, unde încărcarea betonului este dată de următoare relație tensiune-deformare a betonului (pentru εc mai mic de 0,002):

(3.12)

În cazul încărcării cvasi-permanente calculele se fac ca și în cazul SLU, dar cu următoarele modificări:

0,85fcd în ecuația (3.8.) și în Fig.3.7. este înlocuit de fck;

Mrd este înlocuit de momentul activ (în combinație cu încărcarea cvasi-permanentă) Mser,q-p;

fyd (efortul de întindere oțel) este înlocuit cu fs1;

εc în ecuațiile (3.5) – (3.6) este înlocuit cu εc/ (1+φ), unde φ este coeficientul de curgere;

limitele tensiunii sunt fs1<= 0,8fyk (pentru oțel) și σc <= 0,45fck, unde încărcarea betonului este dată de ecuația (3.12), unde εc este înlocuit de εc/ (1+φ).

Verificarea lipirii

Pentru dimensiunile stabilite pentru utilizatori ale geometriei secțiunii transversale a FRP (n benzi de lățime bf și grosime tf aranjate în m straturi, n/m trebuie să fie un număr întreg dacă m > 1) programul calculează forța maximă, Nbd,max care poate fi suportată de numărul total de benzi și lungimea asociată a lipiturii, lbd,max, înainte ca dezlipirea armăturii externe să înceapă la capete (suprafața de ancorare), vezi Fig. 3.8. Aceste calcule se bazează pe următoarele ecuații:

(3.13)

(3.14)

(3.15)

Unde:

b = lățimea grinzii [de remarcat că b/(n/m) este egal cu spațierea benzilor dacă numărul de straturi >1]

fctd = valoarea proiectată a rezistenței de rupere la întindere a substratului în N/mm2, mai exact rezistența de rupere la întindere a betonului lângă suprafață

lbd,max este în mm, Nbd,max este în N, bf și tf sunt în mm, Ef este în N/mm2.

Fig 3.8 Infășurătoare momentului de încovoiere și definirea lungimii lipirii corespunzătoare secțiunii A

La fiecare secțiune transversală (de exemplu A) ecuațiile de echilibru și compatibilitate a deformării dau forța de întindere Nfd,A a fiecărei benzi. Dacă această forță nu depășește Nbd,max, atunci se verifică lipirea, mai exact nu este prevăzută nereușita ancorării, cu condiția ca lungimea corespunzătoare a lipiturii lbd să fie utilizabilă. Lungimea lipiturii corespunzătoare lui Nfd,A se calculează după cum urmează:

(3.16)

După cum s-a menționat mai sus, Nfd,A reprezintă forța de întindere efectuată de FRP. Aceasta se calculează prin înmulțirea suprafeței secțiunii transversale A cu produsul deformării temporare a modulului de elasticitate, Efεf, unde εf este rezultatul dintre echilibrul secțiunii transversale și compatibilitate. Ecuațiile în acest caz sunt identice cu cele folosite la SLS, cu condiția ca armătura de oțel sub încărcare să nu poată ceda. Așadar, se aplică aceleași formule ca la SLS, unde:

Mrd este înlocuit de valoarea de proiectare a momentului de încovoiere care acționează în secțiunea A, Msd,A;

fyd este înlocuit de fsd1;

εo este aproximativ egal cu cel care îi corespunde lui Mo, înmulțit cu factorul de reducere (Msd,A / Msd). Putem lua in considerare faptul ca momentul de încovoiere în timpul consolidării secțiunii transversale A, Mo,A, este egal cu Mo (care acționează în secțiunea critică) împărțit la factorul Msd,A / Msd (de remarcat că Msd acționează în secțiunea critică).

În concluzie consolidarea construcțiilor existente nu numai că permite păstrarea supleții structurilor mai ales în cazul clădirilor clasificate ca și monumente, ci oferă și posibilitatea manipulării ușoare și aplicarea soluției de consolidare într-un timp relativ scurt. Costul consolidării cu materiale compozite a unei construcții este redus, intervenția presupunând foarte puțin deranj și o manoperă mult mai ieftină, comparativ cu metoda tradițională, chiar dacă prețul pe unitatea de produs poate fi uneori mai ridicat. Astfel, punând în balanță costurile totale (material și manoperă) ale unei consolidări clasice și pe cele ale unei consolidări cu fibre de carbon sau de sticlă, aplicarea tehnicilor moderne cu fibre este în majoritatea cazurilor mai ieftină.

REABILITAREA STRUCTURILOR DIN ZIDĂRIE ȘI BETON ARMAT CU ELEMENTE DIN OȚEL

Preliminarii

Acest capitol își propune o trecere în revistă a unor soluții inovative de reabilitare a structurilor existente din zidărie și beton armat folosind elemente metalice.

În analizarea structurilor cu pereți portanți din zidărie au fost studiate două soluții de consolidare; prima, bazată pe placarea pereților de zidărie cu plăci din otel și/sau aluminiu (SSP/ASP) prin intermediul unor ancore chimice sau tiranți pretensionați, iar cea de-a doua, constă în lipirea cu ajutorul rășinilor epoxy a unor țesături metalice (SWM), tehnologie similară cu cea bazată pe FRP. Consolidarea structurilor în cadre de beton s-a făcut cu ajutorul contravântuirilor cu flambaj împiedicat (BRB). Capitolul de față prezintă atât rezultatele încercărilor experimentale și ale simulărilor numerice, cât și aspecte legate de tehnologia și punerea în operă a acestor soluții. Soluțiile prezentate au fost propuse și studiate în cadru a două programe de cercetare europene, și anume FP6 PROHITECH, respectiv RFCS STEELRETRO.

Știut fiind faptul că România este o țară cu un grad ridicat de seismicitate, încă înainte de 1963 a fost introdus primul standard seismic cu caracter obligatoriu, structurile din beton armat sau zidarie fiind dimensionate să reziste la încărcările din gruparea fundamentală de încărcări (preponderent încărcări gravitationale, încărcări din vânt). Drept urmare, marea majoritate a clădirilor dimensionate înainte de aceasta perioadă necesitau o evaluare amanunțită urmată de necesitatea adoptării unor măsuri de consolidare.

Mare parte dintre clădirile existente, care erau situate în zone cu activitate seismică, construite și proiectate fără respectarea principilor de proiectare antiseismică și afectate de trecerea anilor, atât de intervenții succesive asupra structurii de rezistență cât și de cutremurele care au avut loc, se găsesc astăzi într- o stare avansată de degradare, prezentând un risc seismic ridicat. Datorită riscului seismic al clădirilor istorice, se impune implementarea și perfecționarea de noi sisteme care să ofere soluții atât la problemele structurale cât si la cele de ordin arhitectural. În această situație, este de luat în calcul posibilitatea îndepărtării unui sistem de consolidare atunci când acest lucru se impune. Soluția propusă în asemenea situații a fost consolidarea bazată pe utilizarea elementelor metalice, care pot fi proiectate și realizate astfel încât să fie reversibile.

4.2. Utilizarea materialelor metalice

Oțelul, datorită formelor variate în care se comercializează – profile laminate la cald sau obținute prin îndoire la rece, platbande plane sau amprentate, secțiuni tubulare, I, H etc. și a gamei diversificate de caracteristici mecanice – prezintă o flexibilitate deosebită, fiind în măsură să rezolve majoritatea problemelor de consolidare.

Paleta largă oferită de utilizarea oțelului este utilă, pornind de la o simplă intervenție de consolidare efectuată pe un singur element structural până la restaurarea întregului ansamblu structural, având ca effect rezistența mărită la seism al structurii.

Pe teritoriul țării noastre, aflată într-o zonă seismică dificilă, problema restaurării statice a construcțiilor este mai delicată, impunând necesitatea oferirii structurilor a unei rezistențe suficientă în cazul unor mișcări seismice. Nu în ultimul rând, se impune recuperarea rapidă și eficientă a clădirilor afectate de seism și a refacerii socio-urbanistice a zonei afectate.

În concluzie, soluția optimă în situația consolidării structurilor din zidărie sau beton armat, pentru respectarea dezideratelor privind reversibilitatea și exploatarea la maxim a proprietățiilor diveselor materiale, o reprezintă utilizarea elementelor metalice. Avantajele evidente ale utilizării elementelor metalice sunt: claritatea formei, expresivitate figurativă, prefabricate de diverse forme, dimensiuni, reversibilitate, rezistența mecanică ridicată, izotropia mecanică, dimensiuni și greutate redusă, ușurința în transport, punere în operă rapidă, manevrabilitate în spații reduse, lucrabilitate, disponibilitate comercială, caracteristici mecanice, reciclabilitate.

Aspecte tehnologice privind soluțiile de consolidare

4.3.1. Structuri de zidarie

Construcțiile din zidărie au în Europa cea mai largă răspândire, de la case rezidențiale până la spitale, școli sau clădiri istorice. Structurile de zidărie, datorită rezistenței scăzute, a ductilității și capacității reduse de deformare, au o comportare necorespunzătoare la acțiuni seismice. Având rigiditate și greutate mare, aceste structuri sunt supuse la forțe seismice considerabile.

În cadrul cercetărilor, au fost propuse două soluții inovatoare pentru consolidarea structurilor cu pereți de zidărie. Aceste tehnici au fost investigate în cadrul proiectului UE FP6 PROHITECH. Prima tehnică constă în placarea pereților de zidărie cu plăci de oțel (SSP) sau aluminiu (ASP), pe ambele părți sau pe o singură parte. Plăcile metalice sunt prinse cu ajutorul tiranților pretensionați (PT) sau a ancorelor chimice (CA) (vezi Fig. 4.1).

Figura 4.1. (a) Soluția de consolidare propusă; (b) prinderea chimică

Ceea de-a doua tehnică este inspirată din soluția bazată pe materiale compozite (FRP), și constă în aplicarea unei plase de sârmă de oțel, zincată sau inoxidabilă (SWM), lipită cu rășină epoxidică pe perete de zidărie. Investigarea acestor tehnici de consolidare a fost făcută în situația aplicării lor în cazul pereților de zidărie, dar pot fi folosite și în cazul diafragmelor slab armate din beton.

Figura 4.2. (a) Zonele critice ale unui panou de zidărie cu goluri IAEE/NICEE (2004); (b) modul de aplicare al sistemului

Urmărind modul de cedare în plan a panourilor de zidărie (vezi Fig. 4.2), se poate stabili modul de dispunere a sistemului pentru a obține un aport maxim la creșterea rezistenței și la îmbunătățirea comportamentului structurii. Datorită faptului că soluția este aplicată în premieră, nu sunt de neglijat aspectele tehnologice legate de modul de realizare (vezi Fig. 4.3).

Figura 4.3. Etapele aplicării țesăturilor metalice

4.3.2. Structuri in cadre de beton armat

În cadrul programului RFCS STEELRETRO a fost studiată o soluție de reabilitare a structurilor în cadre de beton armat folosind contravântuiri cu flambaj împiedicat (BRB) dispuse în V.

Figura 4.4. Schema de principiu și detaliile de prindere pentru soluția de reabilitare cu contravântuiri BRB (a) și alcătuirea constructivă a contravântuirii (b)

Prinderea contravântuirilor disipative de cadrele de beton armat s-a realizat direct, fără introducerea unor elemente interioare aditionale, prin intermediul unor dispozitive mecanice alcatuite din plăci de capăt prinse de elementul de beton cu ajutorul unor tirați pretensionați.

Metoda de validare experimentală a acestui sistem a decurs astfel: s-a izolat un cadru de b.a. dintr-o cladire reală, proiectată înainte de 1963. Detaliile de armare pentru cadre s-au bazat pe prevederile și practica din acea perioadă. Comparativ cu prevederile actuale, acestea sunt considerate neadecvate deoarece armăturile au o lungime insuficientă de ancoraj, utilizează armături netede în loc de armături striate iar distanța dintre etrieri este destul de mare (15 cm la stâlpi, 25 cm la grinzi).

Au fost construite in total 4 cadre de b.a., dintre care 2 cadre fară contravântuiri și două cadre cu contravântuiri, care au fost încercate monoton și ciclic (Fig. 4.4.a). Contravântuirea folosită a fost proiectată și executată în cadrul Centrului de Cercetare CEMSIG din cadrul Universității “Politehnica” din Timișoara. Aceasta este alcătuită dintr-o platbandă de oțel S275 (fy = 275 N/mm2, fu = 400 N/mm2, A% = 34%) introdusă într-un tub de oțel (țeavă pătrată din oțel S275, 4 mm grosime) umplută apoi cu beton C40/50. Inima a fost împărțită în 3 zone: zona de prindere, zona de tranziție și zona activă (Fig. 4.4.b). Pentru prevenirea frecării dintre beton și platbanda de oțel, s-a folosit folie de polietilenă de 1 mm grosime, ca material de interfață.

Aspecte tehnologice privind soluțiile de consolidare

4.4.1. Investigarea soluțiilor de placare a zidăriei

Testele experimentale au fost efectuate în laboratorul CEMSIG (director Prof. Dan Dubina) din cadrul Departamentului de Construcții Metalice și Mecanica Construcțiilor și în laboratorul CESMAST (director Prof. Valeriu Stoian), din cadrul Departamentului de Construcții Civile, Industriale și Agricole din cadrul Universității "Politehnica" din Timișoara.

Activitatea experimentală a inclus: teste de material pe plăci de oțel și aluminiu, pe sârme zincate și sârme din oțel inoxidabil, pe țesături metalice, și pe componente ale zidăriei, mortar, cărămidă; teste pe 42 specimene mici (500 x 500 x 250 mm), în scopul de a calibra conexiunea cu ancore chimice (CA) și tiranti pretensionați (PT); 22 teste pe specimene mari (1500 x 1500 x 250), în condiții de încărcare monotone și ciclice (vezi Fig. 4.5).

Figura 4.5 Stand pentru incercarea (a) prinderii cu CA si PT

(b) plasa metalica SWM (c) specimene mari

4.4.1.1. Rezultate experimentale

Modul de cedare prin forfecare diagonală a fost observată pentru toate specimenele, atât în condiții de încărcare monotonă cât și ciclică. S-au observat fisuri orizontale la partea inferioară a peretelui, împreună cu zdrobirea colțului opus (vezi Fig. 4.6). Toate aceste mecanisme de cedare demonstrează că sistemele consolidare au forțat perete de zidarie să-și activeze întrega sa capacitate portantă și de deformare.

Figura 4.6. Modul de cedare al specimenelor mari

Soluțiile de consolidare propuse SWM sunt o alternativă la tehnologia de consolidare bazată pe utilizarea FRP, însă permit creșterea ductilității fără a crește rigiditatea peretelui. S-a ajuns la concluzia că plăcile metalice (SP), în principal, duc la creșterea ductilității, în timp ce țesăturile de sârmă (WM), cresc rezistența. Ambele tehnici sunt mai eficiente atunci când sunt aplicate pe ambele fețe. Prinderea cu ajutorul tiranților pretensionați pare a fi mai eficientă și specimenele consolidate cu plăci de aluminiu (ASP) au demonstrat un comportament mai bun. Sistemele propuse de consolidare au fost confirmate.

4.4.2. Investigarea soluțiilor de contravântuire a cadrelor din b.a.

Fig. 4.7.a prezintă curba forță-deplasare pentru cadrul inițial de b.a. în comparație cu cadrul reabilitat cu sistemul BRB. Eficiența reabilitării seismice a cadrului de b.a. este confirmată de creșterea rigidității și a rezistenței.

Figura 4.7. a) Rezultate experimentale pentru cadrul simplu de b.a și pentru cadrul cu contravantuiri, incercarea monotona;

b) Evaluarea deplasarii la curgere, Dy, pentru cadrul cu contravantuiri

b)

Figura 4.8. a) Cadrul de b.a cu contravântuiri dupa testul ciclic;

b) vederi cu îmbinările cu grinda țâși stâlpul după încercare

Pentru încercările ciclice s-a aplicat protocolul de încărcare ECCS. Acest protocol a fost adaptat prin folosirea unui singur ciclu de încărcare la Dy/4, 2xDy/4, 3xDy/4 și Dy, urmat de trei repetări ale ciclurilor crescute cu 0.5Dy (1.5Dy, 2Dy).

În urma încercării ciclice pe cadrul de b.a. reabilitat cu contravantuiri BRB, deplasarea ultimă Du corespunde cedării contravantuirii la întindere iar deplasarea de curgere Dy corespunde modificării bruște a rigidității elastice. Astfel, Dy are valorile de 11mm și respectiv 20 mm. Pe baza valorilor obținute, factorul de comportare q pentru cadrul de b.a. reabilitat cu sistemul CFI are o valoare de 4,2. Totuși, pentru o mai bună estimare a factorului q, s-a considerat și metoda propusă de ECCS pentru obținerea deplasării de curgere. Pentru definire a înfășurătorii, s-au utilizat rezultatele obținute în cel de-al treilea ciclu.

4.5. Concluzii

Soluțiile de consolidare au fost investigate complet, în cadrul Facultatii de Constructii din Timișoara, pornind de la conceperea lor, stabilirea modalităților tehnologice de punere în operă, derularea programului experimental și de simulare numerică, cu sprijinul finanțării a două programe de cercetare europene, și anume FP6 PROHITECH și RFCS Steelretro. Rezultatele acestor proiecte s-au concretizat prin două teze de doctorat și anume "Seismic retrofitting techniques based on metallic materials of RC and/or masonry buildings" a d-nului dr. ing. Adrian Dogariu și "Dual frame systems of buckling restrained braces" a d-nul dr. ing. Sorin Bordea. Toate soluțiile de consolidare și-au dovedit eficiența și se pretează pentru aplicarea lor în conformitate cu principiile proiectării bazate pe criterii de performanță.

BIBLIOGRAFIE

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE) – International weather for energy energy calculations (IWEC Weather files), version 1.1, Atlanta 2001

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE) –ASHRAE 2004 HVAC Systems and equipments.

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE) –ASHRAE 2005 Fundamentals

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE) –ANSI/ASHRAE 55-2004, Thermal environmental conditions for human occupancy, ASHRAE, Atlanta, April 2004

AULICIEMS, A. – Effects of weather on indoor thermal comfort. International J. of Biometerology, 13 (1969), 147-163

BALOTA, R.S., IONESCU, G, IANCĂU, M. – Daily differences trends of the climatic parameters in the N-W part of Romania, Buletinul AGIR, nr. 3, 2012, 857-867

BECKER, S., ODED, P.,YARON, Y. – Thermal sensation in extremely hot and dry urban environments. Fifth International Conference on Urban Climate, Lodz, 1-5 Sep 2003,

Brager, G.S., De DEAR, R. – Thermal adaptation in the built environment: a literature review. Energy and Buildings 27 (1998) 83-96

BUTLER, D. – Architects of a low energy future. Nature 452, 3 Apr 2008

CERNA, K.M., De DEAR, R. – Field study of occupant comfort and office thermal environments in a hot-arid climate. Final report ASHRAE 921 RP, ASHRAE Inc., Atlanta 1998

CHARVAT, P., SCHOLLER, M., STETINA. J. – The impact of passive cooling of the experimental house on indoor air velocities.

http://www.fluids.fs.cvut.cz/akce/konference/setkani_2007/sbornik/doc/Charvat.pdf, accesat la 22 martie 2017, 15:30

De DEAR, GAIL, S., RICHARD J. – Thermal comfort in naturally ventilated buildings: revisions to ASHRAE Standard 55. Energy and Buildings 34, 6 (2002) 549-561

DEPECKER, P., MENZO, C., VIRGONE, J.,LEPERS, S. – Design of buildings shape and energetic consumption. Building and Environment 36, 5 (2001) 627-635

DIN V 4108-2:2003-04 – Thermal protection and energy economy in buildings – Part 2: Minimum requirements to thermal insulation, Berlin, Aprilie 2003

DIN V 4108-6:2000-11 – Thermal protection and energy economy in buildings – Part 6: Calculation of annual heat and annual energy use, Berlin, Noiembrie 2000

DIN V 18599-2:2007-02 – Energy efficiency of buildings- Calculation of the net, final and primary energy demand for heating, cooling, ventilation, domestic hot water and lighting –Part 2: Net energy demand for heating and cooling of building zones. Berlin, Fenruarie 2007

DUFFIE, J.A., WILLIAM, A.B. – Solar engineering of thermal processes. 3rd ed. Hoboken, John Wiley & Sons, 2006

DIN EN 15251:2007-08 – Indoor environmental input parameters for design and assesment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, Beuth, Berlin, August 2007

DEPARTMENT OF ENERGY U.S, U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY- Roof product list, list current as of January 2, 2009,

http://www.energystar.gov/ia/products/prod_lists/roofs_prod_list.pdf , March 2018, 18:15

EIA – International Energy Outlook 2010, Report #:DOE/EIA-0484 (2010). http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/ world.html, Vizualizat 2016/07/25, 16:45

EUROPEAN PARLIAMENT – Tackling climate change.

http://europa.eu/legislation_summaries/environment/tackling_climate_change/index_en.htm, vizualizat 2016/07/07, 11:00

EUROPEAN PARLIAMENT – Energy efficiency: energy performance of buildings, vizulizat 2017/07/08, 12:30

http://europa.eu/legislation_ summaries/energy/energy_efficiency/l27042_en.htm,

EUROPEAN PARLIAMENT – EU energy in figures 2010.

http://ec.europa.eu/energy/publications/doc/statistics/part_2_energy_pocket_book_2010.pdf, vizualizat 2017/07/09, 12:00

EUROPEAN PARLIAMENT – The EU climate and energy package. http://ec.europa.eu/environment/climat/ climate_action.htm, vizualizat 2016/07/07, 19:00

EUROPEAN PARLIAMENT – Green Paper on the security of energy supply. http://europa.eu/legislation_summaries/energy/external_dimension_enlargement/l27037_en.htm, vizulizat 2017/07/08, 19:30

EUROPEAN PARLIAMENT – Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings (recast) {SEC(2008) 2864} {SEC(2008) 2865} of document: 13/11/2008 of transmission: 19/12/2008.http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:52008PC0780:EN:NOT, vizualizat 2017/07/10, 14:00

EUROPEAN PARLIAMENT – Energy Efficiency in Buildings. http://ec.europa.eu/energy/efficiency/buildings/ buildings_en.htm, vizualizat 2017/07/11, 10:00

FANG, L., WYON, D.P., CLAUSEN, G., FANGER, P.O. – Impact of indoor air temperature and humidity in an office on perceived air quality, SBS symptoms and performance. Indoor air 14 (2004), Suppl. 7, 74-81

FANGER, P.O., TOFTUM, J. – Extension of the PMV model to non-air-conditioned buildings in warm climates. Energy and Buildings 34, 6 (2002)
533-537

GEROS, V., SANTAMOURIS, M., KARATASOU, S., PAPANIKOLAOU – On the cooling potential of the night ventilation techniques in the urban environment. Energy and Buildings 37 (2005) 243-257

HARTMANN, T., BOLSIUS, J., RICHTER, W. – Bedarfsluftung im Wohnungsbau. Stuttgart, Fraunhofer, IRB Verlag, 2001

HASTINGS, R.,WALL, M. – IEA Task 28; Sustainable Solar Housing. Two volumes. Trowbridge, UK: Earthscan, (Eds) (2007).

HAVENITH, G., HOLMER, I., PARSONS, K. – Personal factors in thermal comfort assessment: clothing properties and metabolic heat production. Energy and Buildings 34, 6 (2002) 581-591

HEIDARI, S. – Effect of air movement in building. Palenc 2005, 1st International Conference “Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment”, pp. 1045-1051, Mai 2005, Santorini, Grecia

HERKEL, S., KNAPP, U., PFAFFEROTT, J. – A preliminary model of user behavior regarding the manual control of windows office building. 9th International IBPSA Conference, Montreal, Canada 2005

HERMELINK, A., HUBNER, H. – Is one liter enough? Tenants’ satisfaction in passive houses. Proceedings of eceee 2003 Summer Study, eceee, Stockholm 2003

HUMPREYS, M.A., NICOL, J.F. – The validity of ISO-PMV for predicting comfort votes in every-day thermal environments. Energy and Buildings. 34, 6 (2002) 667-685

IANCĂU, M. – Towards low energy buildings, Analele Uniresității din Oradea, Fascicula Construcții și Instalații Hidroedilitare, vol. XIII, 2010, 327-334

IANCĂU, M. – Sustainable housing, Analele Uniresității din Oradea, Fascicula Construcții și Instalații Hidroedilitare, vol. XIII-2, 2010, 151-160

IANCĂU, M., IONESCU, G. – Ultra-low energy buildings, Journal of Sustainable Energy, Vol. I, nr. 4, 2010, 32-36

IANCĂU, M. – Heat transfer problems in an energy efficient building, Journal of Sustainable Energy, Vol. II, nr. 4, 2011

IANCĂU, M. – Contribuții privind optimizarea energetică a clădirilor individuale de locuit din România – Teză de doctorat 2013.

IANCĂU, M., IONESCU, G., BALOTA, R.S. – Passive house in Romania as an influence of weather data analyses, Buletinul AGIR, nr. 3, 2012, 849 – 856

INEICHEN, P. – Comparison of eight clear sky broadband models against 16 independent data banks. Solar Energy 80 (2006) 468-478

JONES, R., CHRISTENSEN, J.H., HEWITSON, B., CHEN, A., BUSUIOC, A., HELD, R., LAPRISE, R., MEARNS, L., MAGANA RUEDA, V., KOLLI, R.K., RINKE, A, SARR, A. – Regional climate projections. In: Climate change 2007: The physicah Science Basis. Contribution of working group I to the forth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press, 2007

JUDKOFF, R., NEYMARK, J. – Building energy simultion test (BESTTEST) and diagnostic method, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, Februarie 2005

KOLOKOTRONI, M., ZHANG, Y., WATKINS, R. – The London heat island and building cooling design. Palenc 2005, 1st International Conference “Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment”, Mai 2005, Santorini, Grecia

LEE, E.S., TAVIL, A. – Energy and visual comfort performance of electrochromic windows with overhangs. Building and Environment 42,6 (2007) 2439-2449

LINGAMGUNTA, C., VEZIROGLU, T.N. – A universal relationship for estimating daily clear sky insolation. Energy Conversion and Management 45 (2004) 2313- 2334

MAXINEASA SEBASTIAN GEORGE – Soluții compozite și hibride pentru dezvoltarea sustenabilă în construcții – Teză de doctorat 2015, Iași

McCARTNEY, K.J., NICOL, J.F. – Developing an adaptive control algorithm for Europe. Energy and Buildings 34, 6 (2002) 623-636

McINTYRE, D.A. – Indoor Climate. Applied Science Publishers, Londra 1980

NICOL, J.F., HUMPREYS, M.A.- Maximum temperatures in buildings to avoid heat discomfort. 1st International Conference “Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment”, Palenc 2005, Santorini, Grecia

OURGHI, R.,AL-ANZI,A.,KRARTI, M. – A simplified analyses method to predict the impact of shape on annual energy use for office buildings. Energy Conversion and Management48, 1 (2007) 300-305

PARSONS, K.C.- The effects of gender, acclimation state, the opportunity to adjust clothing and physical disability on requirements for thermal comfort. Energy and Buildings 34, 6 (2002) 593-599

PAVLOU, K. SFAKIANAKI, A., MOURIKI, E., STOLIDOU, I. – Study of thermal and visual performance of eleven residential buildings. Palenc 2005, 1st International Conference “Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment”, Mai 2005, Santorini, Grecia

RAJA, I.A., HUMPHREYS, M.A. – Thermal comfort: use of controls in naturally ventilated buildings. Energy and Buildings 33 (2001), 235-244

WYON, D, FANGER,P. – Experimental determination of the limiting criteria for human exposure to low winter humidity indoors (RP-1160). ASHRE, HVAC&R Research, Vol 12 (2), Aprilie 2006

WITTWER, V., DATZ,M., ELL, J., WALZE, G. – Gasochromic windows. Solar energy materials and solar cells. 84, 1-4 (2004), 305-314

ZELENKA, A., PEREZ, R., SEALS, R., RENNE, D. – Effective accuracy of satellite – derived irradiance. Theoretical and applied climatology 62, (1999),
199-207

ZIMMERMANN, M. – Handbuch der passiven Kuhlung. EMPA ZEN, Dubendorf 1999

*** BUILD UP Skills – Raport de analiză a stării actuale, http://www.iee-robust.ro/downloads/BUILD-UP-Skills_Romania_Analiza_Status_Quo.pdf, vizualizat: 10.09.2016, 15:00

*** Directiva 2002/91/CE

*** Directiva 2005/36/CE

*** Directiva 2009/28/CE

*** EPBD (2010). Raport de implementare a EPBD în România, EPBD-CA country report http://www.epbd-ca.org/Medias/Pdf/country_reports_14-04-2011/Romania.pdf

*** Institutul Național de Statistică (2002 – 2011). Web Page: TEMPO-Online serii de timp, Statistica Economică, http://www.insse.ro, vizualizat 2017/09/09, 17:00

*** Intelligent Energy Europe (2007) – Promotion of European Passive Houses. http://erg.ucd.ie/pep/index.htm, vizualizat 2017-08-06, 16:30

*** Îndrumar de eficiență energetică pentru clădiri,

www.ipconsult.ro/Indrumar%20de%20Eficienta%20Energetica%20pentru%20Cladiri%20I.htm, vizualizat: 20/09/2017, 11:00

*** Planul CE pentru Eficienţă Energetică 2011

*** Strategia energetică a României pentru perioada 2007-2020, HG nr. 1069/2007, publicată în M.Of. nr. 781 din 19 noiembrie 2007

Acte normative complementare

•STAS 10107/0-90 Construcții civile și industriale. Calculul și alcătuirea elementelor din beton, beton armat și beton precomprimat.

•STAS 10101/1-91 Acțiuni în construcții. Greutâți tehnice și încârcâri permanente.

•STAS 10101/2A1-91 Acțiuni în construcții. Incârcări datorite procesului de exploatare.

•STAS 10107/1-91 Construcții civile, industriale și agricole. Calculul și alcătuirea planșeelor din beton armat și beton precomprimat. Prevederi generale.

•STAS 10107/2-91 Construcții civile, industriale și agricole, planșee curente din plăci și grinzi din beton armat și beton precomprimat. Prescripții de calcul și alcătuire.

•STAS 10107/3-91 Construcții civile, industriale și agricole, planșee cu nervuri dese din beton armat și beton precomprimat. Prescripții de calcul și alcătuire.

•STAS 10107/4-91 Construcții civile, industriale și agricole, planșee casetate din beton armat. Prescripții de calcul și alcătuire.

•STAS 3300/1-85. Teren de fundare. Principii generale de calcul.

•STAS 3300/2-85 Calculul terenului de fundare în cazul fundării directe.

•Normativ pentru proiectarea antiseismică a construcțiilor de locuințe, social-culturale, agrozootehnice și industriale. Indicativ P100-92.

•Normativ privind proiectarea și executarea lucrărilor de fundații directe la construcții. Indicativ P10-86.

•Normativ pentru executarea lucrărilor din beton și beton armat. C 140-86.