17 mai 2022
Mituri si adevaruri despre casele cu structura metalica usoara
Pentru mulți doritori de case am lansat întrebarea: În ce casă și-ar dori să-și trăiască viața și de ce? Una convențională din cărămidă sau într-o casă metalică?
Răspunsurile au fost foarte variate, în multe situații alegerea fiind influențată de mituri, ce s-au înrădăcinat în conștiința oamenilor de rînd, neavînd nici un suport științific real.
Analizam unele dintre aceste mituri și adevăruri și formulam răspunsuri bazate pe metode științifice inginerești de cuantificare a răspunsului.
Articolul abordează subiectul eficienței energetice și cel al proiectării de rezistență ale caselor pe structură metalică ușoară și evidențiază răspunsuri la problemele analizate prin prisma unor exemple de case proiectate și executate, folosite ca studiu de caz.
În ce măsură vor schimba aceste răspunsuri opinile doritorilor de case în timp, rămîne ca fiecare individ să-și decidă alegerea.
Nutrim speranța că informațiile colectate în această lucrare le vor fi de ajutor.
Față de începutul anilor 2000, cînd ideea caselor pe structură metalică ușoară se lansa pe piața rezidențială din România, potențialii utilizatori priveau cu foarte mult scepticism soluțiile tehnice, care erau pacticate de multă vreme în piața Nord-Americană, Nord-Vest Europeană (țările Scandinave, marea Britanie), Australiană-Neo Zeenlandeză, Japoneză.
Criza financiară globală din 2008 a afectat puternic și piața rezidențială din România, însă se pare că mulți s-au îndreptat spre soluțiile caselor metalice realizate din profile ușoare, înregistrînd o creștere constantă a pieței în acest segment.
În momentul de față în anul 2015 constatăm o penetrare amplă a pieței românești de construcții rezidențiale cu multe firme de execuție și investitori imobiliari pe soluții de case metalice.
Una din barierele inițiale în promovarea pe piața Românească a soluțiilor de case metalice ușoare a fost legată de ideea incompatibilității structurilor de clasa 4 de secțiuni (considerate ca structuri cu ductilitate redusă) și riscul seismic ridicat al zonei, mit risipit în urma evaluării performanțelor acestor tipuri de structuri la acțiuni seismice în zone cu seismicitate ridicată, avînd accelerația terenului de 0,2g.
Utilizarea profilelor cu pereţi subţiri formate la rece de secțiuni C, Σ, U, Z în cazul acestor structuri şi dezvoltarea continuă a oţelurilor cu rezistenţe ridicate, implică rezolvarea unor probleme de proiectare deosebite, care nu sunt întâlnite în proiectarea structurilor realizate din profile de oţel obişnuite, obţinute prin laminare la cald sau prin sudarea tablelor.
Dificultățile în proiectarea acestor structuri devin și mai accentuate, prin prevederea unor fante pe inima secțiunilor C, Σ, U, Z, în vederea creșterii eficienței termice și acustice ale acestor profile (Figura 1).
De aceea concepţia de ansamblu a structurilor de case realizate din profile de oţel cu pereţi subţiri formate la rece, alcătuirea elementelor structurale, cu secţiuni simple sau compuse, metodologia şi detaliile de îmbinare, proiectarea acestora, sunt diferite faţă de structurile metalice clasice.
În consecinţă, pentru aceste structuri s-au elaborat norme de calcul şi proiectare specifice.
În vederea simplificării sarcinii proiectanților, aceste tipuri de structuri au căpătat forme prescriptive de proiectare în piața Nord Americană, unde tipologii de profile și soluții constructive pot fi selectate funcție de dimensiuni geometrice, deschideri, înălțimi.
Ulterior au fost publicate volume separate, în vederea acoperirii problematicii proiectării pe capitole de subiecte [4…13].
O încercare similară a fost și pentru piața Uniunii Europene, inițiată de asociația LSK (Europe an Ligthweigth Steel-framed Construction Association), materializată în final de o publicație cu impact redus, produsă de firma Arcelor.
Figura 1 – Profile eficiente termic și acustic (sursa www.lindab.com)
Metodele prescriptive se bazează pe aplicarea unor reguli simplificate de calcul pentru elementele structurale constituente.
Datorită numărului și densității mari de elemente componente, modelarea, analiza și calculul structurilor caselor metalice în ansamblul lor rămîne în continuare o problemă complexă, ce acționează ca barieră în promovarea soluțiilor pe piață.
Soluțiile constructive de închideri bazate pe tehnologii uscate, care au avantaje indubitabile energetice și la viteza de execuție ale acestor tipuri de case, au un comportament în exploatare diferit față de soluțiile clasice, cu care utilizatorii sunt obișnuiți, dacă ne referim la clădiri de cărămidă tencuite.
Tehnologiile uscate, ale căror pereți devin impermeabile, asigură o bună izolare termică și un microclimat diferit față de soluțiile clasice din cărămidă, care sunt permeabile (zidărie + tencuială), fiind necesar prevederea unui sistem de ventilare mecanică.
Soluțiile constructive de separarea spațiului pe orizontală (planșee intermediare) bazate pe tehnologii uscate impun tratarea cu atenție a problemelor legate de fonoizolarea și vibrațiile în exploatare ale acestora.
În cele ce urmează, cîteva din aspectele menționate mai sus vor fi discutate pe baza unor studii de caz și documentele de referință normative, ce reglemeteză proiectarea acestor tipuri de structuri.
Proiectul s-a realizat în 7 zile iar realizarea propriu zisă a structurii a durat circa 10 zile.
Figura 5 – Model structural de calcul vs. proiectul realizat cu profile ușoare
Modelul 3D de calcul al structurii s-a realizat in programul de analiză și calcul structural Consteel, considerînd simplificat 3 legături pendulare de stabilizare pe înălțimea montanților de pereți, menite să modeleze efectul bordărilor exterioare și interioare.
În mod identic s-au modelat grinzile de planșeu, considerînd a cîte 3 legături pendulare de s tabilizare pe deschidere.
Grinzile de acoperiș pe rol de căpriori au fost prevăzute între reazemele asigurate de legăturile prevăzute cu cîte o legătură pendulară de stabilizare.
Colțurile structurii, atît în perete cît și în acoperiș s-au contravîntuit cu fîșii de oțel, fiind definite ca elemente care pot prelua numai întindere.
Deși numărul legăturilor într -o astfel de structură în realitate este mult mai mare, ansamblul structural din Figura 5 a prezentat la analiza de stabilitate globală un răspuns foarte bun: primul element ce-și pierde stabilitatea în structură este stîlpul central din profil laminat HEA140, factorul critic de multiplicare al încărcării din combinația periculoasă (încărcări permanente+utile planșeu) rezultat fiind αcr=6,86 (Figura 6a).
Analiza de senzitivitate la flambaj scoate în evidență elementele sensibile la pierderea stabilității globale cele cu mai puține legături (căpriorii, care au fost fixate foarte rar).
Rezultatele verificărilor globale, conform metodologiei de calcul din Eurocode au indicat un grad de utilizare al elementelor de maxim 88%, acestea fiind în general profilele de bordare ale golurilor, care acumulau încărcare mai mare din cauza lipsei montanților pe suprafața de goluri.
a)αcr=6.86 b). Tplanșeu=4,66 Hz
Figura 6: Rezultatul analizei de stabilitate și cel al analizei dinamice
Este interesant de menționat faptul, că verificările de rezistență indică adecvate și profile C150x2,5 pentru grinzile de planșeu, însă în analiza dinamică apare vibrația verticală la o frecvență sub 5 Hz (Figura 6b), ceea ce poate genera efecte nedorite în exploatare în combinația încărcărilor 1,35 x permanente + 1,5 x utile.
Rezultatele analizei dinamice utilizînd profile C200x2,5 arată că aceeași formă de vibrație apare la o frecvență de 5,56 Hz, ceea ce încă este foarte aproape de pragul critic recomandat de 5 Hz.
Figura 7: Structura casei analizate în stadiu de execuție
Autorii documentului
Zsolt Nagy – Conferențiar, Universitatea Tehnică Cluj, Facultatea de Construcţii, Departamentul de Structuri
Cristina Câmpian – Profesor, Universitatea Tehnică Cluj, Facultatea de Construcţii, Departamentul de Structuri
Paul Perneș – Asistent, Universitatea Tehnică Cluj, Facultatea de Construcţii, Departamentul de Structuri