Casa din Figura 5 prezintă o structură recent proiectată și executată în localitatea Snagov.
Solicitarea expresă a beneficiarului a fost întocmirea proiectului și realizarea casei într – un termen cît mai redus.
Dimensiunile geometrice principale ale construcției sunt: 9m lățime, 12.5 m lungime, 3 m înălțime planșeu și înălțime totală la coamă de 7.95 m.
Structura s-a proiectat la încărcările climatice și seismice corespunzătoare zonei Snagov, considerînd pe planșeul mansardei o încărcare utilă de 2 kN/m2.
Particularitatea arhitecturală a impus un parter cu foarte puține elemente structurale, fapt pentru care s -a introdus un cadru transversal și longitudinal de susținere din profile laminate.
Structura s-a realizat din profile C150x2.0 pentru montanții pereților, cu întăriri locale la colțuri și la bordările golurilor, iar pentru grinzile planșeului au fost dimensionate profile C200x2.5 dispuse la 600 mm interax. În final au rezultat 8,5 tone de confecție metalică, din care 1.3 tone re prezintă cadrul de susținere transversal și longitudinal.
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
Discuții privind rezultatele analizelor numerice și compararea lor cu abace
Avînd rezultatele detaliate ale analizelor numerice, utilizînd unelte automatizate, este foarte ușor să facem o comparație, privind acuratețea cu care putem configura o casă pe structură metalică, folosind abacele oferite de [14] (vezi Figura 8).
Considerînd forța axială maximă rezultată din calcul NEd=60kN, înălțimea de nivel de 3 m și excentricitatea maximă h/6, regăsim profilul C150x2.0 utilizat în analiză pentru montanții pereților.
Procedînd în mod similar pentru grinzile de planșeu, considerînd ca și date de intrare deschiderea elementului de 4,5 m, distanța dintre rigle de 600 mm și încărcarea utilă de 2 kN/m 2, constatăm că profilele C150 au limita de utilizare 3,54 m.
În ceea ce privește selecția profilelor C200x2.00, acestea s unt la limita de utilizare de 4,44 m (probabil C200x2,50 intră în intervalul acceptabil, dar nu este acoperit de tabel), alegerea cea mai sigură fiind profilul C250x2.0 sau profile Σ200×2.00.
Tabelele din referința [14] nu ne asigură asistență în alegerea profilelor pentru realizarea acoperișului, alegerile în această situație fiind posibil să se ghideze după rezistențele la moment încovoietor, forță tăietoare și efectele locale din forța concentrată de pe reazem.
Fără o optimizare a acestor alegeri, conform calculelor derulate rezultă o structură robustă, cu rezerve de rezistență la nivel de elemente structurale, dar o atenție deosebită trebuie acordat detaliilor de îmbinare, unde informațiile din referința [3] ne pot fi de mare ajutor.
Pe de altă parte, focalizîndu-ne atenția numai asupra criteriilor de rezistență și stabilitate, utilizînd un program perfomant de calcul, aspectele privind vibrația planșeului pentru un utilizator fără experiență poate să scape, ceea ce ar putea conduce la efecte secundare nedorite în exploatare.
În concluzie privind aspectele procesului de proiectare putem declara că proiectarea structurii caselor pe structură metalică ușoară rezervă capcane pentru cei fără experiență, dar abacele de calcul în spatele cărora stă o cercetare minuțioasă, ne pot oferi soluții rapide, chiar dacă unele elemente vor fi supradimensionate cu rezerve de rezistență considerabile.
Problemele legate de înnădirile structurilor rămîn în continuare puncte nevralgice, unde soluțiile standardizate și încercate pot reprezenta calea accesibilă adoptate în soluțiile proiectate.
Figura 8: Tabel de selectare pentru montanți de pereți și rigle de planșee
Concluzii
Lucrarea de față analizează mituri și adevăruri privind eficiența energetică și unele aspecte privind proiectarea caselor pe structură metalică ușoară.
Autorii articolului printr-un exemplu realizat de casă pe structură metalică ușoară, demonstrează că acestea pot fi proiectate astfel, încît să rezulte un consum energetic foarte redus, chiar și în zonele climatice foarte reci.
Prin utilizarea profilelor perforate cu eficiență energetică crescută sau soluții și detalii de izolare termică adecvată, pot fi obținute case, a căror consum de energie să scadă la 50% față de necesarul energetic ale clădirilor convenționale, acestea fiind încadrate în clasa A de consum energetic.În privința proiectării, modelarea, analiza și calculul structurilor caselor metalice în ansa mblul lor rămîne o problemă complexă, datorită fenomenelor ce derivă din zveltețea pereților secțiunilor.
Instabilitățile locale ale pereților profilului (voalare locală sau distorsiunea secțiunii) prin interacțiunea cu pierderea stabilității generale a elementului structural, care poate avea decupări locale, sau poate fi perforat din considerente de eficiență energetică, generează situații ce complică analiza comportării structurilor și la nivel global, dar și la nivel de element constituent, pentru care instabilitatea este criteriul principal de dimensionare.
Metodele prescriptive pot fi o alternativă pentru simplificarea procesului de proiectare, în cazul unor structuri, ai căror arhitectură este acoperită de soluțiile tipizate în documentele normative disponibile la ora actuală.
S-a prezentat o aplicație care tratează modelul structural 3D ca pe un întreg în timpul întregului proces de analiză, considerînd toate legăturile elementelor structurale, așa cum ele au fost modelate de utilizator, efectuînd ve rificările elementelor structurale prin considerarea secțiunii eficace.
Chiar dacă procesul de analiză este automatizat, proiectarea structurii caselor pe structură metalică ușoară rezervă capcane pentru cei fără experiență. Problemele legate de înnădirile structurilor rămîn în continuare puncte nevralgice, pentru care încercările de laborator și metodele avansate de calcul oferă rezolvări pe moment.
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
Referinte
[1] Case Study: Constantin’s Family House, Ploiesti, Romania, Access Steel information portal, SP024a-EN-EU, 2004.
[2] Dubina, D., Fulop, L., Aldea, A., Demeteriu, S., Nagy, Zs., Seimic performance of Cold- formed Steel Framed Houses, Proceedings 5 th International Conference on Behaviour of Steel Structures in seismic areas – STESSA 2006, 14-17 August 2006, Yokohama, Japan, Taylor&Francis / Balkema, London, 2006, (Eds. F.M. Mazzolani, A. Wada), pp. 429-435
[3] Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing, AISI, 2000.
[4] Standard for Cold-Formed Steel Framing – General Provision (2007), AISI S200-07, American Iron and Steel Institute
[5] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Product Data (2007), AISI S201-07,American Iron and Steel Institute
[6] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Floor and Roof System Designs (2007), AISI S210-07, American Iron and Steel Institute
[7] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Wall Stud Design (2007), AISI S211-07, American Iron and Steel Institute
[8] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Header Design (2007), AISI S212-07, American Iron and Steel Institute
[9] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Lateral Design (2007), AISI S213-07, American Iron and Steel Institute
[10] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Truss Design (2007), AISI S214-07, American Iron and Steel Institute
[11] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Code of Standard Practice (2005), American Iron and Steel Institute
[12] Standard for Cold-Formed Steel Framing – Prescriptive Method for One and Two Family Dwellings (2007), AISI S230-07 American Iron and Steel Institute, Washington, D.C.
[13] Cold-Formed Steel Framing Design Guide, D110-07, (2007), American Iron and Steel Institute, Washington, D.C.
[14] European Ligthweigth Steel framed Construction, Published by Arcelor, printed by Victor Buck, 2005, ISBN 2-9523318-2-0
[15] WP 6 – Guidance for architecst and engineers on energy efficient solutions in steel: Design guidance on energy and thermal improvements for residential buildings, RFSR- CT- 2008-00038, University of Aachen
[16] Knowledge in the use of steel-intensive dry construction systems in housing, Reaseach Fund for Coal and Steel – Final report, 2004
[17] SR EN 1993-1-3, Eurocod 3: Proiectarea structurilor de oţel Partea 1-3: Reguli generale Reguli suplimentare pentru elemente structurale şi table formate la rece, ASRO, 2007
[18] SR EN 1993-1-5, Eurocod 3: Proiectarea structurilor de oţel. Partea 1-5: Elemente structurale din plăci plane solicitate în planul lor, ASRO, 2007.
[19] www.consteelsoftware.com
