EDUCAŢIE, CERCETARE, PROGRES TEHNOLOGIC

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 54

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIN ÎNCERCARE PE STAND PÂNĂ LA RUPERE

A UNOR STÂLPI PREFABRICAŢI DIN BETON ARMAT ŞI PRECOMPRIMAT

Concluzii şi recomandări pentru îmbunătăţirea conformării şi a performanţelor

tehnice

Prof. dr. ing. Augustin POPAESCU 1, Dr. ing. George CROITORU 2

1 Universitatea „Transilvania“ – Braşov, 2 Telekom RMC SA – Bucureşti

REZUMAT. Stâlpii prefabricaţi din beton armat şi precomprimat au fost şi sunt utilizaţi pe scară foarte largă în cadrul liniilor electrice aeriene (L.E.A.). Prezentul studiu tratează comportarea la solicitările de încovoiere şi torsiune a stâlpilor centrifugaţi din beton armat şi precomprimat cu secţiune inelară şi a stâlpilor vibraţi din beton precomprimat utilizaţi în cadrul liniilor electrice aeriene. Pe baza cercetărilor experimentale efectuate până la rupere a stâlpilor prefabricaţi din beton armat şi precomprimat, în lucrare sunt prezentate concluzii şi recomandări pentru îmbunătăţirea conformării şi a performanţelor tehnice. Aceste concluzii şi recomandări vor contribui la o mai bună comportare în exploatare în condiţiile sporirii duratei de serviciu şi a unor costuri de producţie avantajoase.

Cuvinte cheie: cercetări experimentale, încovoiere, torsiune, stâlpi, beton prefabricat, precomprimat, vibrat, centrifugat.

ABSTRACT. Precast reinforced and prestressed concrete poles were used and are using on a large scale in electrical power lines. This study analyses behavior in experimental tests on mechanical resistance in bending and torsion of reinforced and prestressed centrifuged concrete poles and presstresed vibrated concrete poles used in electrical power lines. Based on the experimental tests until failure of reinforced and prestressed concrete poles, conclusions and recommendations for improving compliance and technical performance are presented in the paper. These conclusions and recommendations will contribute to a good behavior in service in conditions of increasing service life and of some advantageous production costs.

Keywords: experimental tests, bending, torsion, poles, precast concrete, prestressed, vibrated, centrifuged.

1. INTRODUCERE

Din punct de vedere tehnologic şi funcţional, liniile electrice aeriene (L.E.A.) reprezintă soluţia tehnică folosită în momentul actual pentru distribuţia energiei electrice la distanţe relativ mari între loca-lităţi.

În cadrul liniilor electrice aeriene, atât de joasă cât şi de medie tensiune, în prezent se constată o utilizare pe scară foarte largă a stâlpilor prefabricaţi din beton armat şi precomprimat.

În principal, sunt utilizate următoarele tipuri de stâlpi prefabricaţi din beton:

– stâlpi centrifugaţi din beton armat;

– stâlpi centrifugaţi din beton precomprimat; – stâlpi vibraţi din beton precomprimat. Din punct de vedere al funcţiei pe care o pot

indeplini în cadrul liniilor electrice aeriene, stâlpii din beton pot fi:

– de susţinere în aliniament sau în colţ; – de întindere în aliniament sau în colţ; – terminali. Prezentul studiu tratează comportarea la so-

licitările de încovoiere şi torsiune a stâlpilor centrifugaţi din beton armat şi precomprimat cu secţiune inelară şi a stâlpilor vibraţi din beton precomprimat utilizaţi în cadrul liniilor electrice aeriene (L.E.A.).

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIN ÎNCERCARE PE STAND PÂNĂ LA RUPERE A UNOR STÂLPI

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 55

2. METODOLOGIA DE ÎNCERCARE

Efectuarea încercarilor pe stend pentru stâlpii din beton prefabricat solicitaţi la încovoiere şi torsiune, se consideră corecte conceptual şi tehnologic în momentul în care este simulată comportarea „in situ” a elementelor. Metodologia de încercare a stâlpilor a fost elaborată de S.C. POPAESCU AIG GRUP (coordonator prof. dr. ing. Augustin Popaescu, colaborator dr.ing. George Croitoru) şi pusă în operă în conformitate cu exigenţele normelor europene actuale, respectându-se prevederile din standardele SR 2970:2005 [5] şi SR EN 12843:2005 [6], cu precizările următoare [2]:

– la încovoiere, încercările s-au efectuat pe stâlpi aşezaţi în poziţie orizontală, încastraţi rigid în standuri

orizontale, aşezaţi pe suporturi mobile care trebuie să compenseze efectele greutăţii proprii şi să permită libertatea de mişcare (fig. 1);

– la torsiune, încercările s-au efectuat pe stâlpi aşezaţi în poziţie orizontală, la bază fiind încastraţi rigid, vârful trebuind să fie liber pentru a se putea răsuci (fig. 2);

– fixarea stâlpilor în dispozitivul de incercare s-a realizat astfel ca acţiunea forţelor şi comportarea elementului să corespundă condiţiilor de calcul şi de exploatare;

– încercarile s-au efectuat pe stâlpi având vârsta de minimum 28 zile, dar nu mai mult de 40 zile;

Rezultatele cercetărilor experimentale analizate în prezentul studiu au la bază încercări efectuate în perioada anilor 2006-2013 pe stâlpi prefabricaţi din beton armat şi beton precomprimat utilizaţi pentru linii electrice aeriene (L.E.A.) [2].

Producătorul stâlpilor a fost SOMACO S.A. Bucureşti, în sucursalele Buzău, Doaga (jud. Vrancea), Roman şi Drobeta Turnu-Severin pe baza proiectului efectuat în anul 2005 de TENSCON S.R.L. Bucureşti.

Fig. 1. Principiul încercării la încovoiere. Organizare de ansamblu [6].

Fig. 2. Principiul încercării la torsiune. Organizare de ansamblu [6].

Lungime de încastrare (Li)

Lungime totală stâlp ( LT )

Lungime stâlp ( LT - Li ) L

Încastrare rigidă stâlp

Vârf stâlp (diametru D2 < D1)

0.25

Aplicare moment de torsiune la 0.25 m de la vârf, cu valori crescătoare până la valoarea de rupere

Fundaţie

Bază sâlp (diametru D1)

Lungime de încastrare (Li)

Lungime totală stâlp ( LT )

Lungime stâlp ( LT - Li ) Li

Secţiune critică stâlp Aplicare încărcare în trepte pe o direcţie de 90o faţa de axul central al extremităţii stâlpului

Încastrare rigidă stâlp

Bază stâlp (diametru D1)

Vârf stâlp (diametru D2 < D1)

Suport mobil ce compensează efectul greutăţii proprii şi permite libertatea de mişcare a stâlpului

Direcţia de deplasare a suportului în urma aplicării încărcării la vârful stâlpului

Fundaţie

EDUCAŢIE, CERCETARE, PROGRES TEHNOLOGIC

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 56

3. ÎNCERCAREA LA ÎNCOVOIERE

3.1. Stâlpi centrifugaţi din beton armat

Principalele observaţii rezultate în urma încer-cărilor la încovoiere a stâlpilor centrifugati armaţi, sunt [2], [3]:

– deşi este posibilă apariţia fisurilor încă de la fazele de transport şi montaj, primele fisuri cu deschidere semnificativă sunt evidenţiate la aprox. 70-75% din valoarea încărcării de exploatare, în această fază stâlpii lucrând cu fisurile deschise însă în limite admise (fig. 3);

3552888

111

108

0 0

35

70

1155908

140110

2452022

fexp. (mm)

148 353265186 sageataexperimentala

180

P(daN)trepte de incarcare

2970 360

3936 477Mexploatare Pexploatare

5115 620

6188 763

M (daNm)

Fig. 3. Studiu de caz. Stâlp centrifugat tip SC10001 încercat la

încovoiere. Cicluri de încărcare P (M) – fEXP. [2], [3].

Fig. 4. Studiu de caz. Stâlp centrifugat tip SC10001 încercat la

încovoiere. Atingerea săgeţii limită şi cedare prin zdrobirea progresivă a betonului comprimat asociat cu flambajul

armăturilor longitudinale [2], [3].

– mecanism de cedare: cedare prin atingerea săgeţii limită (săgeata depăşeşte valoarea Lc/35) şi cedare prin strivirea betonului comprimat în secţiunea de moment maxim, fig. 4 [6];

– ruperea stâlpilor analizaţi la solicitarea de în-covoiere nu este de tip casant, este de tip semiductil.

3.2. Stâlpi centrifugaţi beton precomprimat

Principalele observaţii rezultate în urma încer-cărilor la încovoiere a stâlpilor centrifugaţi din beton precomprimat, sunt [3]:

– stâlpii precomprimaţi lucrează la exploatare fără fisuri (fig. 5);

35035183303317

1809

0

1859

31663116

1057028 sageataexperimentala12 86 140

133 158

180

11687

346204155

1236738791

0 380 fexp. (mm)

185

315310

610

M (daNm)

7035

5327

4723

61316231

5879

8040

8040

700

530

470

620

585

800

800

P(daN)trepte de incarcare

Fig. 5. Studiu de caz. Stâlp centrifugat tip SCP10005 încercat la

încovoiere. Cicluri de încărcare P (M) – fEXP. [3].

Fig. 6. Studiu de caz. Stâlp centrifugat tip SCP10005 încercat la încovoiere. Rupere casantă a betonului [3].

– în general, primele fisuri apar la un nivel al încărcării corespunzator (1.30…1.40) MEXPL;.

– mecanismele de cedare specifice: cedare prin atingerea săgeţii limită (Lc/35), cedare prin stri-virea betonului comprimat în secţiunea de moment maxim sau prin ruperea armăturii longitudinale întinse sau cedare prin atingerea unei deschideri de fisură de 2 mm în zona de moment maxim [6];

– ruperea stâlpilor analizaţi la solicitarea de încovoiere este de tip casant (fig. 6).

Stadiul de deschidere a fisurilor (0.70 MEXPL.)

Stadiul de exploatare - MEXPL.

(fisuri deschise, �max.�0.20mm)

Starea limită ultimă: mecanism de cedare prin atingerea săgeţii limită ( f > Lc /35)

M [daNm] P [daN]

fEXP. [cm]

Stadiul de exploatare - MEXPL.

(fără fisuri deschise)

Stadiul de deschidere a fisurilor (1.30 MEXPL.)

Starea limită ultimă: mecanism de cedare prin atingerea săgeţii limită

( f > Lc /35)

M [daNm] P [daN]

fEXP. [cm]

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIN ÎNCERCARE PE STAND PÂNĂ LA RUPERE A UNOR STÂLPI

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 57

3.3. Stâlpi vibraţi din beton precomprimat

Principalele observaţii rezultate în urma în-cercărilor la încovoiere a stâlpilor vibraţi din beton precomprimat, sunt [4]:

– stâlpii lucrează la exploatare fără fisuri (fig. 7);

3102558

82

866812

46618

7224430 0

867

908 110

105

156816831774

204190

215

2145 360

sageataexperimentala

288190140112 fexp. (mm)

P(daN)trepte de incarcare

5104208

4003300

2970 360

3795 460

4703 570

M (daNm)

Fig. 7. Studiu de caz. Stâlp vibrat tip SE4T încercat la

încovoiere. Cicluri de încărcare P (M) – fEXP. [4].

Fig. 8. Studiu de caz. Stâlp vibrat tip SE4T încercat la încovoiere. Rupere casantă a betonului [4].

– în general, primele fisuri apar la un nivel al încărcării corespunzator valorii 1.20 MEXPL;.

– mecanismele de cedare specifice: cedare prin atingerea săgeţii limită (Lc/35) [6];

– ruperea stâlpilor analizaţi la solicitarea de încovoiere este de tip casant (fig. 8).

4. ÎNCERCAREA LA TORSIUNE

Pentru toate tipurile de stâlpi încercaţi la torsiune (centrifugaţi din beton armat/precomprimat şi vibraţi

din beton precomprimat), principalele observaţii rezultate în urma încercărilor sunt [2], [3], [4]:

– ruperea stâlpilor analizaţi la solicitarea de torsiune este de tip casant (fig. 9 şi fig. 10);

– în cazul stâlpilor din beton armat distrugerea casantă a betonului se realizează prin dezvoltarea mai multor crăpături principale şi secundare orientate oblic, corespunzător sensului de aplicare a solicitării (fig. 9).

Fig. 9. Studiu de caz. Stâlp centrifugat din beton armat tip SC10002 încercat la torsiune. Rupere casantă

a betonului [2], [3].

Fig. 10. Studiu de caz. Stâlp vibrat din beton precomprimat tip SE4T încercat la torsiune. Rupere casantă a betonului [4].

5. SINTETIZAREA REZULTATELOR OBTINUTE

În urma analizei rezultatelor cercetărilor experi-mentale prin încercare pe stend până la rupere, la încovoiere şi torsiune, se pot formula următoarele concluzii principale [2], [3], [4]:

(1) Secţiunea critică cu potenţial maxim de degradare a stâlpilor solicitaţi predominant la în-covoiere este poziţionată în zona de deasupra încastrării în fundaţie;

(2) La încovoiere, în cazul stâlpilor din beton armat este posibilă apariţia fisurilor încă de la fazele de transport şi montaj (fisurile fiind deschise la

Stadiul de exploatare - MEXPL.

(fără fisuri deschise)

Stadiul de deschidere a fisurilor (1.20 MEXPL.)

Starea limită ultimă: mecanism de cedare prin atingerea săgeţii limită

( f > Lc /35)

fEXP. [cm]

M [daNm] P [daN]

EDUCAŢIE, CERCETARE, PROGRES TEHNOLOGIC

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 58

exploatare), în timp ce stâlpii din beton precom-primat lucrează la exploatare fără fisuri;

(3) Valorile experimentale înregistrate pentru momentele încovoietoare la starea ultimă de rupere sunt superioare valorilor de control proiectate pentru starea limită ultimă;

(4) La încovoiere mecanismul de cedare specific îl reprezintă atingerea săgeţii limită (Lc/35);

Dacă în cazul stâlpilor din beton armat este asigurat un mecanism de cedare ductil, în cazul stâlpilor din beton precomprimat ruperea betonului este de tip casant (fragil).

(5) Secţiunea critică cu potenţial maxim de degradare a stâlpilor solicitaţi la torsiune este poziţionată în zona treimii superioare a înălţimii;

(6) Valorile experimentale înregistrate pentru momentele de torsiune la starea ultimă de rupere sunt semnificativ inferioare valorilor de control proiectate pentru starea limită ultimă;

(7) Pentru toate tipurile de stâlpi încercaţi la torsiune ruperea betonului este de tip casant (fragil);

(8) În cadrul ambelor tipuri de incercări, s-a evidenţiat importanţa armăturii transversale (prezen-ţă, cantitate şi mod de distribuţie) şi a defectelor de execuţie asupra mecanismelor de cedare ale stâlpilor.

6. CONCLUZII ŞI RECOMANDĂRI

Sintetizarea informaţiilor obţinute în urma anali-zei rezultatelor cercetărilor experimentale evidenţiază necesitatea adoptării unor îmbunătăţiri în direcţia eficientizării conformării şi sporirii performanţelor tehnico-economice pentru tipurile de stâlpi analizaţi.

Principalele recomandări sunt [2], [3], [4]: ● Introducerea unui concept nou, de tratare

diferenţiată a zonelor cu potenţial maxim de degradare (“secţiuni critice”).

Scopul este de a exercita un control riguros privind apariţia şi evoluţia degradărilor şi pentru reducerea şi eliminarea riscului de cedare casantă a betonului.

● Realizarea unui calcul separat la torsiune pentru dimensionarea armăturilor transversale pe secţiunea critică cu potenţial maxim de degradare la torsiune.

● Adoptarea unor noi cerinţe tehnologice şi de montaj pentru armături.

Se va revizui concepţia actuală de dispunere a armăturilor longitudinale şi transversale pe secţiune, pentru a se maximiza eficienţa acestora din punct de vedere al sporirii capacităţii portante a stâlpilor.

În ambele „zone cu potenţial maxim de degra-dare” etrierii se îndesesc la 10 cm distanţă iar

diametrul acestora va fi minim 8 mm. În schimb, pe restul înalţimii stâlpului etrierii se dispun obligatoriu la egală distanţă, distanţa curentă între etrieri fiind 15 cm.

Pe „zona cu potenţial maxim de degradare” a stâlpului solicitată predominant la torsiune se vor folosi etrieri închişi cu ramuri suprapuse (inele închise).

Folosirea acestui tip de etrieri prezintă avantajul că sunt simplu de realizat şi permit preluarea momentului de torsiune în ambele sensuri de acţiune ale acestuia.

Pe „zona cu potenţial maxim de degradare” a stâlpului solicitată predominant la încovoiere, se îndesesc etrierii la 10 cm în scopul evitării flambaju-lui armăturilor longitudinale după cedarea betonului din zona comprimată în secţiunea de moment maxim.

● Îmbunătăţirea durabilităţii elementelor în direcţia sporirii duratei de serviciu de la 30 la 40 de ani conform SREN 1992-1-1:2004 Eurocod 2.

Pentru aceasta, ca măsuri principale se vor adopta tratarea diferenţiată a acoperirii minime cu beton a armăturilor în funcţie de specificul de mediu al amplasamentului şi creşterea acoperirii minime cu beton a armăturilor longitudinale.

● Adoptarea ca măsură adiţională a diminuării moderate a clasei actuale de rezistenţă a betonului (de la C40/50 la C32/40 pentru stâlpii din beton armat şi de la C45/55 la C35/45 pentru stâlpii din beton precomprimat).

Se apreciază că aceste recomandari vor asigura o capacitate portantă suficientă, o durabilitate sporită şi costuri de producţie avantajoase pentru stâlpii analizaţi.

BIBLIOGRAFIE

[1] Croitoru, G., Study regarding the behaviour in experimental tests until failure for precast reinforced and prestressed concrete poles, Series Civil Engineering, pp. 49-56, Ovidius University Annals of Constanţa, Romania, 2008.

[2] Croitoru, G., Studiu privind comportarea la solicitările de încovoiere şi torsiune a unor stâlpi din beton armat pre-fabricat, Teză de doctorat, Universitatea Ovidius Constanţa, Romania, 2011.

[3] Croitoru, G., Popaescu, A., Study about regularly tests for conformity on r.c. and p.c. electrical poles. Tests results and recommendations, Proceedings pp. 531-534, fib-Sympo-sium Stockholm, Sweden, 2012.

[4] Croitoru, G., Popaescu, A., Study about regularly experimen-tal tests on mechanical resistance for conformity evaluation of precast vibrated p.c. electrical poles. Conclusions and recommendations for improving performances, Proceedings vol. II, pp. 561-563, fib-Congress Mumbai, India, 2014.

[5] SR 2970:2005, Stâlpi prefabricaţi din beton armat şi beton precomprimat pentru linii electrice aeriene. Condiţii tehnice generale de calitate.

[6] SR EN 12843:2005, Produse prefabricate din beton. Stâlpi.

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIN ÎNCERCARE PE STAND PÂNĂ LA RUPERE A UNOR STÂLPI

Buletinul AGIR, Supliment 3/2015 59

Despre autori

Prof. dr. ing. Augustin POPAESCU Universitatea „Transilvania“ – Braşov

A absolvit Institutul de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Construcţii Civile şi Industriale (1960). A obţinut titlul de doctor inginer cu teza „Probleme ale comportării şi calculul elementelor încovoiate din beton precomprimat cu precomprimare parţială” (1983). Activitate de cercetare ştiinţifică în cadrul Institutului de Cercetări în Construcţii INCERC – Bucureşti (1963-2001; din 1990 cercetător ştiinţific principal I). Preşedinte al Consiliului Ştiinţific INCERC până în anul 2000. Activitate didactică: 1992-1995, Departament Engleză la Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti; din anul 2002, profesor universitar la Universitatea „Ovidius“ din Constanţa şi la Universitatea „Transilvania“ din Braşov; din anul 2005, conducător de doctorat la Universitatea „Ovidius“ din Constanţa. A publicat peste 70 de articole ştiinţifice şi 5 cărţi tehnice. Deţinător a 8 brevete de invenţie. Membru în colective de elaborare pentru standarde, reglementări tehnice şi ghiduri de proiectare de referinţă din domeniul betonului armat şi precomprimat. Este expert tehnic şi verificator de proiecte pentru structuri din beton, beton armat şi zidărie.

Dr. ing. George CROITORU Telekom RMC SA – Bucureşti

Este absolvent al Universităţii Tehnice de Construcţii din Bucureşti, Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole (1994); master în construcţii (1995). A obţinut titlul de doctor în domeniul Inginerie civilă cu o temă referitoare la comportarea la solicitările de încovoiere şi torsiune a unor stâlpi din beton armat prefabricat (2011). Activitate de cercetare ştiinţifică în cadrul Institutului de Cercetări în Construcţii INCERC – Bucureşti (1994-2000; din anul 1998, cercetător ştiinţific). Experienţă de proiectant pentru structuri din beton armat, metal şi zidării (din anul 2002) şi în domeniul certificării de conformitate a elementelor prefabricate din beton armat şi precomprimat (din anul 2006). Diriginte de şantier atestat pentru toate categoriile de importanţă ale construcţiilor (din anul 2008).