+ All Categories
Home > Documents > Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Date post: 25-Jan-2016
Category:
Upload: lazarmirceadan391
View: 44 times
Download: 6 times
Share this document with a friend
Description:
Sticla in structuri
27
Analiza oportunitatii folosirii sticlei in elementele structurale sau nestructurale ale constructiei Ing. Mircea Laz ăr
Transcript
Page 1: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Analiza oportunitatii folosirii sticlei in elementele structurale sau nestructurale ale constructiei

Ing. Mircea Lazăr

Page 2: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Cuprins

• Proprietatile materialului;• Modificarea proprietatilor sticlei. Tratarea sticlei;• Elemente nestructurale din sticla si interactiunea cu structura;• Configurarea structurii pentru interactiunea cu elemente

nestructurale din sticla;• Principii de proiectare structurala a elementelor din sticla;• Concluzii.

Page 3: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Proprietatile materialului

• Rezistenta teoretica la intindere ~5000 MPa• Rezistenta la intindere este 30-80 MPa: 10% - 25% din rezistenta

otelului;• Rezistenta la compresiune ridicata ~1000 MPa: ~300% din rezistenta

otelului;• Structura interna cu defecte: imposibilitatea de a redistribui eforturile

din fisura, o cedare neductilă – ce pune in pericol ocupantii cladirii;• Prin tratarea termica sau chimica a sticlei putem induce o comportare

cu o oarecare ductilitate sticlei;

Page 4: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Diagrama efort - deformatie

Comparatie otel - sticla

Page 5: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Modificarea proprietatilor sticlei. Tratarea sticlei

• Sticla, ce poate lua forma unor panouri sau fibre (fire), poate fi imbunatatita prin diferite procedee:

• Tratare termica prin calire (racire brusca a sticlei topite), rezultand un material cu rezistente mai mari ca a sticlei obisnuite, dar cu eforturi interne. Aplicatii uzuale: ferestre mijloace de transport in comun, usi de sticla, etc.

• Tratare termica prin recoacere: sticla are proprietati intermediare sticlei uzuale si celei obtinute prin tratare termica

• Laminare: doua sau mai multe straturi de sticla sunt combinate, intre ele introducandu-se un strat din alt material( de obicei PVB), rezultand un material compozit. Proprietati: rezistenta la foc, rezistenta la impact, rezistenta acustica, minimalizarea riscului de accidentare in momentul cedarii.

Page 6: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 2 Sticla laminata: Testare prin lovirea sticlei cu o sfera metalica de la inaltimea de 9m.

(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Fig. 1. Comparatie intre sticla tratata termic (prin calire) si sticla netratata.

(Anyglass.com)

Page 7: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Elemente nestructurale din sticla si interactiunea cu structura

• Deplasari ce pot pune in pericol elementele din sticla: • Deplasarea planseului sub incarcari gravitationale;• deplasări relative ale punctelor de prindere de structura principală,• deplasări relative între elementele sistemelor de componente nestructurale, care pot

avea mişcări diferite în timpul cutremurului;• deplasări produse de variaţiile de temperatură climatice (pentru elementele

anvelopei)• deplasări relative între tronsoanele adiacente, datorate tasării terenului de fundare,

în cazul în care elementul este fixat de ambele tronsoane;• P100-1/2013 limiteaza deplasarile cladirii sub actiunea seismului, pentru asigurarea starii

limita de serviciu. Deplasarile sunt cuantificate ca deplasari relative de nivel, si sunt limitate la 0.5% (Componente nestructurale din materiale fragile, ataşate structurii) si 1% pentru (Componente nestructurale care, prin natura prinderilor, nu interactioneaza cu structura)

Page 8: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 3 Deplasari ale structurii ce trebuiesc acomodate, prin natura prinderilor, de componenta din sticla.

(The steel construction institute)

Fig. 4 Deplasare verticala diferita intre etaje, datorata ocuparii partiale ale cladirii.

(The steel construction institute)

Page 9: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Prindere ce blocheaza rotirea sau deplasarea pe directia panoului

Prindere ce blocheaza rotirea dar accepta deplasarea pe directia panoului

Prindere ce blocheaza deplasarea pe directia panoului

Schematizarea tipurilor de prinderi

Page 10: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Configurarea structurii – indeplinirea cerintelor privind deplasarile, impuse de folosirea sticlei ca element nestructural

Deplasari verticale• Componente nestructurale atasate structurii impun cerinte drastice privind limitarea

deplasarilor. Insa, desi elementele nestructurale pot fi „detasate” de structura, aceasta detasare se face prin acomodarea unor tolerante in prinderi, si nu prin detasarea completa de structura. Astfel, desi exista o disociere intre structura si elementul nestructural, aceasta disociere are o limita superioara. Dupa trecerea deformatiilor structurii de aceasta limita, elementul nestructural este incarcat cu eforturi cauzate de structura principala.

• De exemplu, un panou de sticla ce, prin natura prinderilor, urmareste deplasarea planseului, va suferi in urma deformatiilor gravitationale. Presupunand pastrarea naturii prinderii, este nevoie de sporirea rigiditatii la incovoiere a planseului. Ramane insa problematic fenomenul de curgere lenta.

• Solutii:• Cresterea inaltimii elementelor planseului (grinzi, placi).• Utilizarea unui planseu compozit, sau a unui planseu metalic, in care fenomenul de curgere lenta

este redus simtitor• Utilizarea planseelor de tip post-tensionat, cu deformatii reduse din incovoiere si grosimi mai mici

decat in cazul planseelor din beton armat

Page 11: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 5. Deformatia sub o incarcare de lunga durata. (Radu Pascu, 2008)

Fig. 6.1. Panouri din sticla sub planseu cu deschiderea de 23m.

(Arh. Daniel Ciocazanu, Dooi StudioIng. Mircea Lazar, in colaborare cu

Concept Structure)

Page 12: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 6.2. Panouri din sticla sub planseu cu deschiderea de 23m.

(Arh. Daniel Ciocazanu, Dooi StudioIng. Mircea Lazar, in colaborare cu

Concept Structure)

Page 13: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 7. Planseu casetat – limitarea deplasarilor verticale a planseului din beton armat prin sporirea

rigiditatii la incovoiere

Fig. 8. Schema teoretica grinda post-tensionata–limitarea deplasarilor verticale a planseului prin

post-tensionarea lui(Davis Stirling, Concrete Floors)

Page 14: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Configurarea structurii – indeplinirea cerintelor privind deplasarile, impuse de folosirea sticlei ca element nestructural

Deplasari laterale

• Disocierea intre deplasarile laterale ale structurii si deplasarile laterale ale componentei nestructurale se poate realiza prin natura prinderilor, insa in limita unor tolerante.

• Limitarea deplasarilor laterale ale structurii sub actiunea vantului sau actiunea seismului se poate realiza prin urmatoarele moduri:

• Marirea dimensiunilor elementelor structurale;• Folosirea unui sistem structural mai rigid la deplasari laterale (pereti din beton armat,

contravantuiri comprimate);• Utilizarea amortizorilor, ce cresc rigiditatea sau fractiunea din amortizare critica, rezultand in

forte seismice si deplasari mai mici ale structurii• Alegerea solutiei de izolare a bazei. Prin izolarea bazei se disociaza deplasarile terenului de

fundare de deplasarea structurii. Deformatiile se vor concentra in izolatorii de baza, iar in structura forta seismica si deplasarile sunt reduse considerabil.

Page 15: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 9. Dispozitiv antiseismic: („izolator de baza”) aparat de reazem din elastomer și dispozitive de glisare

(Freyrom.ro)

Fig. 10. Dispozitiv antiseismic: amortizor cu conector hidraulic (Freyrom.ro)

Page 16: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 11. Structura din sticla propusa, Centrul International „Constantin Brancusi”.

(Prof. Dr. Arh. Dorin Stefan, DSBA)

Fig. 12. Dispozitiv de reazem („izolator de baza”) folosit pentru structura din sticla,

Centrul International „Constantin Brancusi”.(Freyrom.ro)

Page 17: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 13. Modelarea structurii din sticla a Centrului International „Constantin Brancusi”.

(ing. Mircea Lazăr – in colaborare cu Neo Structural Engineering)

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Elastic response spectrums

Se(T) ξ=5% Se(T) ξ=28.29%T(s)

ag (m/s2)

Fig. 14. Reducerea fortei seismice si cresterea perioadei proprie de vibratie prin folosirea dispozitivelor de reazem

(ing. Mircea Lazăr – in colaborare cu Neo Structural Engineering)

Constructii curente

Structura din sticla pe aparat de reazem

Page 18: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Principii de proiectare structurala a elementelor din sticla

• Conform P100-1/2013 : „Scheletul metalic al faţadelor cortină, ramelevitrinelor şi ferestrelor şi legăturile acestora cu structura principală vor fiproiectate pentru a prelua deplasările relative de nivel ale structuriirezultate din calculul structurii, fără deformaţii permanente şi fărădeteriorarea sticlei şi a pieselor de etanşare”. (capitolul 10.5.3)

• Starea limita de serviciu urmareste limitarea deplasarilor (laterale sauverticale).

• Starea limita ultima – urmareste limitarea eforturilor in element pentruasigurarea sigurantei elementului

• Desi elementele din sticla nu sunt ductile, prin conceptul de proiectarebazat pe redundanta se poate conferi sistemului ductilitate, astfel incat laiesirea din lucru a unui element incarcarile sa fie preluate de alte elemente.

Page 19: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Principii de proiectare structurala a elementelor din sticla

• Elementele structurale din sticla se clasifica in elemente principale sielemente secundare. In functie de clasificare, este necesar sa seurmareasca obiective pentru fiecare tip de element:

• Elemente structurale secundare• Pentru elementele secundare exista coduri de proiectare structurala cu reguli si

limite clare;• Robustete: se urmareste ca elementul sa fie capabil sa preia incarcari fara sa cedeze.

Acest obiectiv poate fi atins prin folosirea elementelor dimensionate corect, prinprotectia la impact si prin evitarea contactului direct intre elementul din sticla sielemente dure (de exemplu, otel);

• Rezistenta reziduala: se urmareste ca dupa cedarea unui element, acesta sa nu punain pericol ocupantii cladirii. Putem indepini obiectivul prin alegerea tipului de sticla,alegerea modului in care aceasta este spijinita si verificarea scenariului de cedare.

Page 20: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 15. Rezistenta reziduala a unui panou format un strat de sticla tratata termic prin recoacere, sprijinit punctual – practic rezistenta

reziduala este foarte redusa(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Fig. 16. Rezistenta reziduala a unui panou format din doua straturi de sticla tratata termic prin recoacere, cu strat intermediar din PVB,

sprijinit punctual – rezistenta reziduala este foarte ridicata(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Page 21: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 17. Rezistenta reziduala a unui panou format din doua straturi de sticla tratata termic prin calire, cu strat intermediar din PVB, sprijinit punctual – exista riscul ca stratul intermediar din PVB sa fie smuls din prinderi si panoul sa se prabuseasca.

(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Page 22: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Principii de proiectare structurala a elementelor din sticla

• Elemente structurale principale• Proiectarea elementelor principale, ca stalpii, grinzile, grinzile cu zabrele,

panouri de forfecare nu este delimitata clar de coduri in acest moment;• Robustete si rezistenta reziduala: se urmareste obtinerea unei robusteti si

rezistente reziduale mult superioare celei necesare unui element secundar;stabilirea rezistentelor si a valorilor incarcarilor se face prin abordarestatistica; de asemenea, este necesar un control al calitatii in fabricarea sspunerea in lucru a elementului;

Page 23: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Principii de proiectare structurala a elementelor din sticla

• Elemente principale – ideea de redundanta in elemente din sticla• Redundanta sistemului structural se realizeaza prin folosirea unor elemente

„de siguranta”, care vor intra in lucru in momentul cedarii unui elementprincipal

• Redundanta elementului se realizeaza prin folosirea sticlei laminate. Cerintelesunt mult mai mari decat in cazul elementelor secundare. Se vor folosi straturide legatura mult mai rezistente, panouri de sticla cu o rezistenta mai ridicataetc. Daca in cazul elementelor secundare se urmarea atingerea uneirezistente reziduale pentru a evita accidentarea, in cazul elementelorprincipale rezistenta reziduala are rolul de a indica apropierea de cedare, farainsa a atinge cedarea

• Prevenirea contactului cu elemente din otel sau din alte materiale dure;• Protectia ocupantilor cladirii impotriva cioburilor in cazul cedarii.

Page 24: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 19. Pavilionul Reinbach, Centrul german de sticla. Acoperisul este sprijinit in totalitate pe panouri de sticla, dispune perpendicular dupa directii ortogonale.

(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Page 25: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 20. Grinda cu zabrele verticala, in care talpile si montantii sunt din otel si diagonalele sunt inlocuite de panouri de sticla.(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Page 26: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Fig. 22. Grinzi si plansee compozite.(Guidance for European Structural Design of Glass Components)

Page 27: Analiza Oportunitatii Folosirii Sticlei in Elementele Structurale Sau Nestructurale

Concluzii

• Folosirea sticlei in constructie necesita o atentie ridicata in procesul de proiectare pentru asigurarea cerintei de siguranta si stabilitate in exploatare;

• Existenta sticlei in elementele nestructurale ale constructiei impune conditii privind natura prinderilor, tipul de sticla folosit si, intr-o masura mai mica, rigiditatea structurii;

• Pentru a folosi sticla in elemente structurale (secundare sau principale), este necesar sa se indeplineasca niveluri minime in:

• Robustetea elementelor;• Rezistenta reziduala a elementelor;• Rigiditatea structurii;• Ductilitatea si redundanta de ansamblu a structurii si ductilitatea/redundanta elementului

structural;• Micsorarea considerabila a deplasarilor structurii sub actiunea seismului, a vantului sau actiuni

gravitationale;• In zone seismice, folosirea sticlei ca element structural impune folosirea tehnologiilor ca izolarea

bazei, prezenta amortizorilor seismici precum si conceperea unui mecanism de plastificare a structurii care sa concentreze deformatiile in elemente disipative si sa ierahizeze cedarea elementelor.


Recommended